초 (시간)

초(秒, 기호 s)는 날을 먼저 시로 나누고, 그다음 분으로 나눈 뒤, 마지막으로 다시 나누어 얻은 시간의 단위이다. 하루는 총 24 × 60 × 60 = 86,400초가 된다. 지구의 자전의 을 기준으로 하는 정의는 여전히 세계시 1(UT1) 시스템에서 사용된다.

국제단위계(SI)에서의 현재 공식 정의는 더 정밀하다. 초[...]는 세슘 주파수 ΔνCs, 즉 세슘-133 원자의 섭동이 없는 바닥 상태 초미세 구조 전이 주파수의 고정된 수치값을 Hz(s−1와 동일) 단위로 표현할 때 이 되도록 함으로써 정의된다.

이 현재의 정의는 1967년 세슘 시계를 통해 자연의 근본적인 속성을 바탕으로 초를 정의하는 것이 가능해지면서 채택되었다. 지구 자전 속도는 변하며 아주 미세하게 느려지고 있기 때문에, 시계를 지구 자전과 동기화하기 위해 불규칙한 간격으로 상용시에 윤초가 추가된다.

 어원 
"분"(Minute)은 라틴어 에서 유래했으며 "첫 번째 작은 부분", 즉 시간을 60으로 나눈 첫 번째 분할을 의미한다. "초"(Second)는 , 즉 다시 60으로 나눈 "두 번째 작은 부분"에서 유래했다.

 용도 
아날로그 시계와 휴대용 시계의 면에는 흔히 초(및 분)를 나타내는 60개의 눈금이 있으며, 초 단위의 시간 흐름을 표시하는 "초침"이 있다. 디지털 시계와 휴대용 시계에는 대개 두 자리 숫자의 초 카운터가 있다.

초의 하위 단위를 나타내기 위해 초라는 단어와 SI 접두어가 자주 결합된다. 밀리초(1,000분의 1), 마이크로초(100만분의 1), 나노초(10억분의 1) 등이 있으며 때로는 더 작은 단위도 사용된다. 초의 배수는 보통 시와 분으로 계산된다. 킬로초(1,000초)와 같이 초의 배수를 형성하기 위해 SI 접두어를 사용할 수도 있지만, 이러한 단위는 실제로는 거의 사용되지 않는다. 초의 아주 작은 분수를 일상에서 경험하는 사례로는 주기 시간이 1나노초인 1기가헤르츠 마이크로프로세서가 있다. 카메라 셔터 속도는 보통 초 또는 초와 같이 초의 분수로 표시된다.

천문 관측에 기반한 달력에서 하루를 육십진법으로 나누는 방식은 기원전 3천 년기부터 존재했으나, 그것이 오늘날 우리가 아는 초는 아니었다. 당시에는 아주 작은 시간 단위를 측정할 수 없었기에 이러한 분할은 수학적으로 도출되었다. 초를 정확하게 셀 수 있었던 최초의 타임키퍼는 17세기에 발명된 진자시계였다. 1950년대부터 원자 시계는 지구 자전보다 더 나은 타임키퍼가 되었으며, 오늘날까지 표준을 설정하고 있다.

 시계와 태양시 
지구의 상대적인 회전 위치 측정에 의존하지 않는 기계식 시계는 그 자체의 고유한 정밀도 내에서 평균시라고 불리는 균일한 시간을 유지한다. 이는 시계가 계측하는 모든 초, 분 및 기타 시간 분할이 다른 동일한 시간 분할과 똑같은 지속 시간을 가짐을 의미한다. 하늘에서 태양의 상대적 위치를 측정하는 해시계(겉보기시 측정)는 균일한 시간을 유지하지 않는다. 해시계가 유지하는 시간은 연중 시기에 따라 달라지며, 이는 연중 다른 시기에 초, 분 및 기타 모든 시간 분할의 지속 시간이 달라짐을 의미한다. 평균시와 겉보기시로 측정한 시간은 최대 15분까지 차이가 날 수 있지만, 하루와 그다음 날의 차이는 아주 적은 양에 불과하다. 15분은 일년 중 일부 기간에 걸쳐 누적된 차이다. 이 효과는 주로 태양 주위의 궤도에 대한 지구 자전축의 기울기 때문에 발생한다.

겉보기 태양시와 평균시 사이의 차이는 고대부터 천문학자들에 의해 인식되어 왔으나, 17세기 중반 정밀한 기계식 시계가 발명되기 전까지 해시계가 유일하게 신뢰할 수 있는 시계였으며 겉보기 태양시가 유일하게 일반적으로 수용되는 표준이었다.

 초 단위의 사건 및 시간 단위 
초의 분수는 보통 2.01초 또는 100분의 2와 1초와 같이 십진법으로 표기한다. 초의 배수는 보통 분과 초, 또는 시, 분, 초로 표현하며 11:23:24 또는 45:23과 같이 콜론으로 구분한다(후자의 표기법은 시와 분을 나타내는 데도 사용되므로 모호함을 유발할 수 있다). 시나 날과 같이 긴 기간을 초 단위로 표현하는 것은 숫자가 너무 커지기 때문에 의미가 있는 경우가 드물다. 초의 메트릭 단위에는 10에서 10초를 나타내는 십진 접두어가 있다.

초 단위의 몇 가지 일반적인 시간 단위는 다음과 같다. 1분은 60초, 1시간은 3,600초, 하루는 86,400초, 1주일은 604,800초, 1년(윤년 제외)은 31,536,000초, (그레고리력) 1세기는 평균 3,155,695,200초이며, 이상의 모든 수치는 발생 가능한 윤초를 제외한 것이다. 천문학에서 율리우스년은 정확히 31,557,600초이다.

초 단위의 몇 가지 일반적인 사건은 다음과 같다. 돌은 정지 상태에서 1초 동안 약 4.9미터를 낙하한다. 길이가 약 1미터인 진자는 1초의 주기를 가지므로 진자시계는 약 1미터 길이의 진자를 가진다. 가장 빠른 인간 스프린터는 1초에 10미터를 달린다. 심해의 파도는 1초에 약 23미터를 이동한다. 소리는 공기 중에서 1초에 약 343미터를 이동한다. 빛이 달 표면에서 지구까지 384,400킬로미터의 거리를 도달하는 데는 1.3초가 걸린다.

 초를 포함하는 다른 단위들 
초는 헤르츠(역초 또는 s−1)로 측정되는 진동수, 초당 미터 단위의 속력, 초당 미터 제곱 단위의 가속도와 같은 다른 단위의 직접적인 구성 요소이다. 방사성 붕괴의 측정 단위인 베크렐은 역초 단위로 측정되며, 초의 더 높은 거듭제곱은 가가속도와 같은 위치의 미분 값에 포함된다. 일상적인 많은 유도 단위가 초가 아닌 더 큰 시간 단위로 보고되기도 하지만(시와 분으로 표현된 시간, 시속 킬로미터나 시속 마일로 나타낸 자동차의 속도, 전력 소비량인 킬로와트시, 분당 회전수인 턴테이블 속도 등), 이들은 궁극적으로 SI 초를 기준으로 정의된다.

더욱이 다른 대부분의 SI 기본 단위는 초와의 관계에 의해 정의된다. 미터는 빛의 속력(진공 중)을 정확히 299,792,458 m/s로 설정하여 정의된다. SI 기본 단위인 킬로그램, 암페어, 켈빈, 칸델라의 정의 역시 초에 의존한다. 정의가 초에 의존하지 않는 유일한 기본 단위는 몰이며, 22개의 명명된 유도 단위 중에서는 라디안과 스테라디안 두 가지만이 초에 의존하지 않는다.

 시간 표준 

전 세계의 원자 시계 세트는 합의에 의해 시간을 유지한다. 시계들이 정확한 시간에 대해 "투표"를 하고, 모든 투표 시계는 국제원자시(TAI)라고 불리는 합의된 시간에 일치하도록 조정된다. TAI는 원자 초를 "똑딱"거린다.

상용시는 지구의 자전과 일치하도록 정의된다. 시간 측정을 위한 국제 표준은 협정 세계시(UTC)이다. 이 시간 척도는 TAI와 동일한 원자 초를 "똑딱"거리지만, 지구 자전 속도의 변화를 보정하기 위해 필요한 경우 윤초를 삽입하거나 생략한다.

초가 원자 초와 정확히 일치하지 않는 시간 척도로는 세계시의 한 형태인 UT1이 있다. UT1은 태양에 대한 지구의 자전에 의해 정의되며 윤초를 포함하지 않는다. UT1은 항상 UTC와 1초 미만의 차이를 유지한다.

 광학 격자 시계 

아직 시간 측정 표준의 일부는 아니지만, 가시광선 스펙트럼의 주파수를 가진 광학 격자 시계가 존재하며 이는 모든 시계 중 가장 정확한 타임키퍼이다. 가시광선의 붉은색 범위인 430 THz 주파수를 가진 스트론튬 시계는 2010년대에 정확도 기록을 보유했다. 이 시계는 150억 년 동안 1초 미만의 오차를 보이는데, 이는 우주의 추정 나이보다 길다. 이러한 시계는 중력 시간 팽창으로 인한 속도 변화를 통해 단 2cm의 고도 변화도 측정할 수 있다.

 정의의 역사 

초의 정의는 역대로 단 세 가지만 존재했다. 하루의 분수로서의 초, 외삽된 1년의 분수로서의 초, 그리고 세슘 원자 시계의 마이크로파 주파수로서의 초이며, 이들은 각각 하루의 육십진법적 분할을 구현해 왔다.

 달력 시간과 하루의 육십진법적 분할 
고전기 및 그 이전의 문명들은 육십진법 계산 시스템을 사용하여 호(arc)뿐만 아니라 달력의 분할을 만들었다. 따라서 당시의 초는 현대의 초(=)와 같이 시간의 분할이 아니라, 하루의 육십진법적 하위 분할(고대의 초=)이었다. 해시계와 물시계는 가장 초기부터 사용된 시간 측정 장치였으며, 시간 단위는 호의 도(degree) 단위로 측정되었다. 해시계에서 구현할 수 있는 것보다 더 작은 개념적인 시간 단위도 사용되었다.

중세 자연철학자들의 저술에는 수학적 하위 분할로서 기계적으로 측정할 수 없는 음력 달의 일부로서의 "초"에 대한 언급이 있다.

 태양일의 분수 

14세기부터 나타나기 시작한 초기 기계식 시계는 시간을 절반, 3분의 1, 4분의 1, 때로는 12등분으로 나누어 표시했지만 60등분으로 나누지는 않았다. 사실 당시에는 시간의 지속이 일정하지 않았기 때문에 시간을 60분으로 나누는 것이 일반적이지 않았다. 16세기 말경 분을 표시하는 최초의 기계식 시계가 등장하기 전까지는 분 단위를 고려하는 것이 실용적이지 않았다. 기계식 시계는 해시계가 보여주는 겉보기시와 대조되는 평균시를 유지했다.
그 무렵 유럽에서는 육십진법에 의한 시간 분할이 잘 확립되어 있었다.

초를 표시하는 최초의 시계는 16세기 후반에 등장했다. 기계식 시계의 발전과 함께 초를 정확하게 측정할 수 있게 되었다. 초를 표시하는 초침이 있는 최초의 태엽 구동 시계는 프레메르스도르프 컬렉션에 있는 오르페우스가 묘사된 무명 제작자의 시계로, 1560년에서  16세기 3분기 동안 타키 알딘은 분마다 눈금이 있는 시계를 제작했다.
1579년 요스트 뷔르기는 헤세의 빌헬름 4세를 위해 초를 표시하는 시계를 제작했다. 1581년 튀코 브라헤는 자신의 천문대에서 분만 표시하던 시계를 초도 표시할 수 있도록 재설계했으나, 당시의 초는 정확하지 않았다. 1587년 튀코는 자신의 시계 4개가 플러스마이너스 4초 정도 어긋난다고 불평했다.

1656년 네덜란드 과학자 크리스티안 하위헌스가 최초의 진자시계를 발명했다. 이 시계는 길이가 1미터가 조금 안 되는 진자를 가지고 있어 1초의 주기를 가졌으며, 매 초마다 똑딱거리는 탈진기를 갖추고 있었다. 이는 초 단위로 시간을 정확하게 유지할 수 있는 최초의 시계였다. 80년 후인 1730년대에 이르러 존 해리슨의 해상 크로노미터는 100일 동안 1초 이내의 오차로 시간을 유지할 수 있게 되었다.

1832년 카를 프리드리히 가우스는 자신의 밀리미터-밀리그램-초 단위계에서 초를 시간의 기본 단위로 사용할 것을 제안했다. 영국 과학 진흥 협회(BAAS)는 1862년에 "모든 과학자는 평균 태양시의 초를 시간 단위로 사용하는 데 동의한다"라고 밝혔다. BAAS는 1874년에 공식적으로 CGS 단위계를 제안했으나, 이 체계는 이후 70년에 걸쳐 점차 MKS 단위계로 대체되었다. CGS와 MKS 단위계 모두 동일한 초를 시간의 기본 단위로 사용했다. MKS는 1940년대에 국제적으로 채택되었으며, 초를 평균 태양일의 으로 정의했다.

 역표년의 분수 

1940년대 후반 어느 시점에, 약 100 kHz의 작동 주파수를 가진 수정 진동자 시계가 하루 작동 기간 동안 108분의 1보다 더 나은 정확도로 시간을 유지할 정도로 발전했다. 이러한 시계들의 합의된 시간이 지구의 자전보다 더 나은 시간을 유지한다는 것이 분명해졌다. 측정학자들은 또한 태양 주위의 지구 궤도(1년)가 지구의 자전보다 훨씬 더 안정적이라는 것을 알고 있었다. 이는 1950년경 초를 1년의 분수로 정의하자는 제안으로 이어졌다.

지구의 운동은 Newcomb's Tables of the Sun(1895)에 기술되어 있으며, 이는 1750년에서 1892년 사이에 이루어진 천문 관측을 바탕으로 1900년 역기점에 대한 태양의 운동을 추정하는 공식을 제공했다. 그 결과 1952년 국제천문연맹(IAU)에 의해 해당 역기점에서의 항성년 단위로 표현된 역표시 척도가 채택되었다. 이 외삽된 시간 척도는 천체의 관측된 위치를 운동에 관한 뉴턴의 역학 이론과 일치시킨다. 1955년, 항성년보다 더 근본적인 것으로 간주되는 태양년이 IAU에 의해 시간 단위로 선택되었다. 정의에 사용된 태양년은 측정된 것이 아니라, 시간이 지남에 따라 선형적으로 감소하는 평균 태양년을 설명하는 공식에서 계산된 것이었다.

1956년, 초는 해당 역기점에 대한 1년의 관점에서 재정의되었다. 그리하여 초는 "1900년 1월 0일 12시 역표시에서의 태양년의 의 1"로 정의되었다. 이 정의는 1960년에 국제단위계의 일부로 채택되었다.

 원자적 정의 
최고의 기계식, 전기 모터식 및 수정 기반 시계조차도 환경 조건으로 인해 오차가 발생한다. 시간 측정을 위해 훨씬 더 나은 것은 에너지화된 원자의 자연스럽고 정확한 "진동"이다. 진동(즉, 복사) 주파수는 원자의 종류와 그것이 어떻게 들뜨느냐에 따라 매우 구체적이다. 1967년부터 초는 정확히 "세슘-133 원자의 바닥 상태의 두 초미세 준위 사이의 전이에 대응하는 복사의 9,192,631,770 주기의 지속 시간"으로 정의되었다. 이 초의 길이는 이전에 정의된 역표초의 길이와 정확히 일치하도록 선택되었다. 원자 시계는 이러한 주파수를 사용하여 해당 주파수에서 초당 사이클을 계산함으로써 초를 측정한다. 이러한 종류의 복사는 자연에서 가장 안정적이고 재현 가능한 현상 중 하나이다. 현재 세대의 원자 시계는 수억 년 동안 1초 이내의 오차로 정확하다. 1967년 이후 세슘-133 이외의 원자를 기반으로 한 원자 시계가 개발되어 정밀도가 100배 향상되었다. 따라서 초의 새로운 정의가 계획되어 있다.Draft resolutions of the 27. 국제 도량형 총회 in November 2022, Section E, p. 25

원자 시계는 이제 초의 길이와 전 세계의 시간 표준을 설정한다.

 표 
+ 초 정의의 진화 CIPM의 결정 CGPM의 결의 정보국제천문연맹 제8차 총회(로마, 1952)의 결정에 따라, 역표시(ET)의 초는 1900년 1월 0일 12시 ET에 대한 태양년의

 이다.초는 1900년 1월 0일 12시 역표시에서의 태양년의  이다.1956 CIPM
제11차 CGPM 1960 결의 9채택될 표준은 외부 장의 섭동이 없는 세슘-133 원자의 바닥 상태 의 초미세 준위 F=4, M=0과 F=3, M=0 사이의 전이이며, 이 전이의 주파수는 9192631770 헤르츠라는 값이 할당된다.초는 세슘-133 원자의 바닥 상태의 두 초미세 준위 사이의 전이에 대응하는 복사의 9 192 631 770 주기의 지속 시간이다.제13차 CGPM 결의 1
CIPM 1967이 정의는 세슘 원자가 정지해 있고 섭동이 없음을 함의한다. 결과적으로, 실제 구현에서 측정값은 시계 기준틀에 대한 원자의 속도, 주변 흑체 복사를 포함한 자기장과 전기장, 스핀 교환 효과 및 기타 가능한 섭동에 대해 보정되어야 한다.1997년 회의에서 CIPM은 다음을 확인했다: 이 정의는 0 K의 온도에서 정지해 있는 세슘 원자를 가리킨다. 이 주석은 SI 초의 정의가 흑체 복사에 의해 섭동되지 않는 세슘 원자, 즉 온도가 0 K인 환경에 기반함을 명확히 하기 위한 것이며, 일차 주파수 표준의 주파수는 1999년 CCTF 회의에서 명시된 바와 같이 주변 복사로 인한 편이에 대해 보정되어야 한다.1999년 제14차 시간 및 주파수 자문위원회(CCTF) 회의에서 추가된 각주
이 각주는 1997년 제86차 CIPM 회의에서 추가됨
GCPM 1998 제7판 SI 브로슈어단위의 정의는 오직 어느 정도의 불확실성을 수반하는 실제 구현에서만 도달할 수 있는 이상화된 상황을 가리킨다. 이러한 취지에서 초의 정의는 어떠한 섭동도 없고 정지해 있으며 전기장과 자기장이 없는 상태의 원자를 가리키는 것으로 이해되어야 한다.
초의 미래 재정의는 이러한 이상화된 조건이 현재의 정의보다 훨씬 더 쉽게 달성될 수 있는 경우 정당화될 것이다.

초의 정의는 고유 시간 단위의 정의로 이해되어야 한다. 이는 정의를 구현하는 데 사용되는 세슘 원자의 운동을 공유하는 작은 공간 영역에 적용된다.

실험실 내 원자의 속도에 대한 특수 상대론적 보정을 적용한 후 중력장의 불균일성 효과가 초 구현의 불확실성에 비해 무시될 수 있을 만큼 충분히 작은 실험실에서는 고유 초가 얻어진다. 국소 중력장에 대해 보정하는 것은 잘못된 것이다.기호가 s인 초는 SI 시간 단위이다. 이는 세슘-133 원자의 섭동이 없는 바닥 상태 초미세 전이 주파수인 세슘 주파수 ΔνCs의 고정된 수치값을 Hz 단위로 표현할 때 9 192 631 770이 되도록 함으로써 정의되며, Hz는 s−1과 같다.

섭동이 없는 원자에 대한 언급은 SI 초의 정의가 주변 흑체 복사와 같은 외부 장에 의해 섭동되지 않는 고립된 세슘 원자에 기반함을 명확히 하기 위함이다.

이렇게 정의된 초는 일반 상대성 이론의 의미에서 고유 시간의 단위이다. 조정된 시간 척도의 제공을 가능하게 하기 위해, 서로 다른 위치에 있는 서로 다른 일차 시계들의 신호가 결합되며, 이들은 상대론적 세슘 주파수 편이에 대해 보정되어야 한다(섹션 2.3.6 참조).

CIPM은 선택된 수의 원자, 이온 또는 분자의 스펙트럼 선을 기반으로 초의 다양한 이차적 표현을 채택했다. 이러한 선들의 섭동 없는 주파수는 133Cs 초미세 전이 주파수에 기반한 초 구현의 불확실성보다 낮지 않은 상대적 불확실성으로 결정될 수 있지만, 일부는 우수한 안정성으로 재현될 수 있다.현재 정의는 2018년에 결의되어 2019년 5월 20일 제26차 GCPM에서 재정의를 승인한 후 발효됨.
SI 브로슈어 9

 미래의 재정의 
2022년 현재, 초의 가장 우수한 구현은 IT-CsF2, NIST-F2, NPL-CsF2, PTB-CSF2, SU–CsFO2 또는 SYRTE-FO2와 같은 세슘 일차 표준 시계로 이루어진다. 이 시계들은 자기광학 트랩에서 세슘 원자 구름을 1 마이크로켈빈(10-6 K)까지 레이저 냉각하는 방식으로 작동한다. 이렇게 차가워진 원자들은 레이저 광에 의해 수직으로 발사된다. 그 후 원자들은 마이크로파 공동에서 램지 들뜨기를 겪는다. 들뜬 원자의 비율은 레이저 빔에 의해 검출된다. 이 시계들은 의 계통 불확실성을 가지며, 이는 하루에 50 피코초에 해당한다. 전 세계의 여러 분수 시계 시스템이 국제원자시에 기여한다. 이러한 세슘 시계들은 광주파수 측정의 토대이기도 하다.

광학 시계는 이온이나 원자의 금지된 광전이를 기반으로 한다. 이들은 약 의 주파수를 가지며, 전형적인 자연 선폭 가 1 Hz이므로 Q값은 약  또는 그 이상이다. 이들은 마이크로파 시계보다 더 나은 안정성을 가지며, 이는 더 낮은 불확실성의 평가를 용이하게 할 수 있음을 의미한다. 또한 더 나은 시간 해상도를 가지며, 이는 시계가 더 빠르게 "똑딱"거린다는 것을 의미한다. 광학 시계는 단일 이온을 사용하거나 –개의 원자가 있는 광학 격자를 사용한다.

 뤼드베리 상수 
뤼드베리 상수에 기반한 정의는 해당 상수를 특정 값으로 고정하는 것을 수반한다: . 뤼드베리 상수는 비상대론적 근사 를 통해 수소 원자의 에너지 준위를 설명한다.

뤼드베리 상수를 고정하는 유일한 실행 가능한 방법은 수소를 포획하고 냉각하는 것이다. 수소는 매우 가볍고 원자가 매우 빠르게 움직여 도플러 편이를 일으키기 때문에 이는 어렵다. 수소를 냉각하는 데 필요한 복사() 역시 다루기 까다롭다. 또 다른 장애물은 양자 전기 역학(QED) 계산의 불확실성, 특히 수소 원자의 1s-2s 전이에서의 램 이동을 개선하는 것이다.

 요구 사항 
재정의에는 광학 시계의 신뢰성 향상이 포함되어야 한다. BIPM이 재정의를 확정하기 전에 광학 시계가 TAI에 기여해야 한다. 또한 초가 재정의되기 전에 광섬유와 같은 일관된 신호 전송 방법이 개발되어야 한다.

 SI 배수 

SI 접두어는 보통 1초보다 짧은 시간에 사용되지만, 초의 배수에는 거의 사용되지 않는다. 대신 특정 비SI 단위의 사용이 허용된다: 분, 시, 날, 그리고 천문학에서의 율리우스년이 그것이다. Reprinted from the "IAU Style Manual" by G.A. Wilkinson, Comm. 5, in IAU Transactions XXB (1987).
+초(s)의 SI 배수하위 배수배수값SI 기호명칭값SI 기호명칭동일한 시간10−1 sds데시초101 sdas데카초10초10−2 scs센티초102 shs헥토초1분 40초10−3 sms밀리초103 sks킬로초16분 40초10−6 sμs마이크로초106 sMs메가초1주일 4일 13시간 46분 40초10−9 sns나노초109 sGs기가초31.7년10−12 sps피코초1012 sTs테라초31,700년10−15 sfs펨토초1015 sPs페타초3,170만 년10−18 sas아토초1018 sEs엑사초317억 년10−21 szs젭토초1021 sZs제타초31조 7천억 년10−24 sys요크토초1024 sYs요타초3경 1,700조 년10−27 srs론토초1027 sRs론나초3,170경 년10−30 sqs퀘크토초1030 sQs퀘타초31해 7,000경 년

 같이 보기 
 크기 정도 (시간)

 각주 

 내용주

 외부 링크 


분류:SI 기본 단위
분류:시간의 단위