Měření neměřitelného
Čas je jediný zdroj, který se každá civilizace snažila uchopit, a po většinu lidských dějin bylo toto úsilí překvapivě nepřesné. Farmář potřeboval znát roční období, kněz hodinu rituálu, námořník okamžik přílivu. Nástroje, které měly na tyto otázky odpovědět, sahaly od stínu na zemi po kapající nádobu s vodou. Příběh měření času je příběhem lidstva, které pomalu zápasí s kluzkou abstrakcí a převádí ji do stále jemnějších čísel, od zařízení s přesností na nejbližší hodinu až po hodiny, které neztratí ani vteřinu po celou dobu existence vesmíru.
Následuje krátká historie této cesty, od slunečních hodin starověkého Egypta po optické mřížkové hodiny bzučící v dnešních laboratořích.
Stíny a sluneční světlo: První hodiny
Nejstarší měřiče času hleděli nahoru, nikoli dolů. Jak slunce putovalo po obloze, jeho stín se pohyboval po zemi v předvídatelném oblouku a jakýkoli vysoký předmět mohl sloužit jako ukazatel. Staří Egypťané vztyčovali tyčící se obelisky již kolem roku 3500 př. n. l. a jejich pohyblivé stíny rozdělovaly denní světlo na rozpoznatelné části. Zhruba od roku 1500 př. n. l. používali Egypťané přenosné stínové hodiny – vodorovnou tyč s vyvýšeným příčníkem, který vrhal stín podél vyznačené stupnice.
Tato zařízení se vyvinula v sluneční hodiny, které Řekové a Římané zdokonalili tím, že pochopili, že vrhač stínu, neboli gnómon, musí být nakloněn k nebeskému pólu, aby byly hodiny v průběhu roku konzistentní. Sluneční hodiny byly elegantní a nevyžadovaly údržbu, ale měly dvě zřejmé vady: v noci byly nepoužitelné a pod mraky bezmocné. Čas, jak se ukázalo, nemohl záviset na počasí.
Voda, která měří čas
Řešením bylo měřit něco spolehlivějšího než sluneční světlo: stálý tok vody. Vodní hodiny neboli clepsydra (řecky „zlodějka vody") se poprvé objevily v Egyptě za vlády Amenhotepa III. ve 14. století př. n. l. V nejjednodušší podobě voda kapala téměř konstantní rychlostí z označené nádoby a klesající hladina ukazovala ubíhající hodiny.
Různé kultury posouvaly myšlenku různými směry. V Řecku inženýři přidali plováky, ozubená kola a číselníky a clepsydra se stala stálým vybavením soudů, kde měřila čas projevy řečníků. V Číně dosáhla tato technologie pozoruhodných výšin. V roce 1088 n. l. dokončil polyhistor Su Song vodou poháněnou astronomickou hodinovou věž vysokou přes deset metrů, která obsahovala krokový mechanismus uvolňující vodu v odměřených pulsech k pohonu soukolí – což je pravděpodobně koncepční předchůdce mechanických hodin, které měly přijít.
Vodní hodiny osvobodily měření času od slunce a umožnily počítat hodiny v noci a za každého počasí. Voda však zamrzá, vypařuje se a teče rychleji, když je nádoba plná, než když je téměř prázdná. Přesnost zůstávala tvrdošíjně nedosažitelná.
Mechanická revoluce
Rozhodující zlom nastal ve středověké Evropě. Někdy na konci 13. století vynalezl neznámý řemeslník – vynález nemá jediného pojmenovaného vynálezce – krokový mechanismus s lihýřem a s ním se zrodily mechanické hodiny.
Princip byl důmyslný. Padající závaží poskytovalo stálý výkon, ale trik spočíval v uvolňování tohoto výkonu v řízených přírůstcích, místo aby se uvolnil najednou. Krokový mechanismus s lihýřem používal vodorovnou tyč (lihýř) se závažími na každém konci, která se kývala tam a zpět a při každém kyvu zabírala a uvolňovala ozubené kolo. Každá oscilace posunula soukolí o jeden odměřený krok. Toto tikání – slyšitelný podpis krokového mechanismu – je pravděpodobně určujícím zvukem mechanické civilizace.
Tyto rané hodiny, instalované v katedrálách a městských věžích ve 14. století, byly podle moderních měřítek hrubé, často se rozcházely o patnáct i více minut denně. Často neměly vůbec žádný číselník, existovaly pouze k odbíjení zvonu (slovo clock pochází z latinského clocca, což znamená zvon). Přesto představovaly něco hlubokého: poprvé stroj měřil čas svým vlastním vnitřním pohybem, zcela nezávisle na slunci, vodě nebo ročním období.
Huygens a kyvadlo
Téměř čtyři století zůstávaly mechanické hodiny frustrujně nepřesné, protože lihýř neměl vlastní přirozený rytmus – kýval se tak rychle nebo pomalu, jak ho mechanismus tlačil. Průlom nastal v roce 1656, kdy nizozemský vědec Christiaan Huygens sestrojil první praktické kyvadlové hodiny.
Huygens navázal na dřívější Galileovo pozorování, že kyvadlo dané délky se kývá s pozoruhodně konstantní periodou bez ohledu na šířku výkyvu. Využitím této přirozené pravidelnosti jako časoměrného prvku hodin Huygens téměř přes noc proměnil obor. Zatímco nejlepší mechanické hodiny se rozcházely o mnoho minut denně, jeho kyvadlové hodiny byly brzy přesné na přibližně patnáct vteřin – a pozdější vylepšení posunula chybu pod jednu vteřinu denně.
Skok byl ohromující: zhruba stonásobné zlepšení jediným tahem. Kyvadlové hodiny zůstaly nejpřesnějšími časoměřiči na světě po dalších 270 let, stály v observatořích a definovaly oficiální čas národů.
Problém zeměpisné délky
Přesné hodiny nebyly pouze vědeckou kuriozitou; držely klíč k jedné z velkých praktických výzev doby – určení polohy na moři. Zeměpisnou šířku lodi bylo možné odečíst z výšky slunce nebo hvězd, ale zeměpisná délka neměla tak snadné řešení. Protože se Země otočí o 15 stupňů zeměpisné délky každou hodinu, námořník, který znal přesný čas v pevném referenčním bodě a porovnal jej s místním polednem na lodi, mohl vypočítat, jak daleko na východ nebo západ dopluli. Problém byl v tom, že žádné hodiny nedokázaly udržet přesný čas na lodi zmítané vlnami, s kolísající teplotou a slaným postřikem. Kyvadla byla na kymácející se palubě nepoužitelná.
Sázky byly smrtelné. Lodě najížděly na mělčinu a jmění se potápělo kvůli nedostatku odpovědi, a v roce 1714 vypsal britský parlament obrovskou odměnu za spolehlivé řešení. Vstupuje John Harrison, samouk, yorkshirský tesař a hodinář, který zasvětil svůj život tomuto problému. Během desetiletí postavil řadu námořních chronometrů, které vyvrcholily jeho mistrovským dílem H4, dokončeným v roce 1759. Kompaktní a šperkovitý, používal rychle kmitající setrvačku odolnou vůči pohybu lodi. Na plavbě na Jamajku v roce 1761 ztratil H4 za 81 dní jen asi pět vteřin – přesnost, která se zdála téměř zázračná. Harrison vyřešil problém zeměpisné délky a tím umožnil spolehlivou globální navigaci v následujících staletích.
Křemen: Čas bez ozubených kol
Další revoluce zcela opustila mechanický pohyb. V roce 1927 postavili inženýři Warren Marrison a J. W. Horton v Bell Telephone Laboratories první křemenné hodiny. Když je na křemenný krystal přiveden elektrický proud, vibruje s mimořádně stabilní frekvencí – vlastnost zvaná piezoelektřina. Počítáním těchto vibrací elektronicky mohly hodiny měřit čas bez kývajícího se kyvadla a bez opotřebovávajícího se krokového mechanismu.
Křemenné hodiny rychle překonaly nejlepší kyvadlové přístroje a v polovině 20. století se staly novým laboratorním standardem. Jejich skutečným triumfem však byla miniaturizace. V 70. letech 20. století byly křemenné strojky levné a dostatečně malé, aby se vešly do náramkových hodinek, a přinesly měření času přesnější než jakékoli observatorní hodiny 19. století na zápěstí běžných lidí. Křemenné hodinky na vaší ruce jsou dnes přímým potomkem tohoto průlomu z roku 1927.
Atomový věk
I křemen má své limity, protože krystaly se mírně mění s teplotou a stářím. Konečný referenční bod musel přijít od samotné přírody – od neměnného chování atomů. V roce 1955 postavili Louis Essen a Jack Parry v Národní fyzikální laboratoři ve Spojeném království první přesné cesiové atomové hodiny. Měřily čas pomocí rezonanční frekvence atomů cesia-133, které absorbují a vyzařují mikrovlnné záření na frekvenci tak konzistentní, že je v podstatě fixována fyzikálními zákony.
Atomové hodiny byly natolik lepší než cokoli před nimi, že si vynutily novou definici času samotného. Po tisíciletí byla vteřina definována rotací Země – zlomkem dne. Země je však vratký, postupně se zpomalující časoměřič. Proto v roce 1967 mezinárodní společenství formálně redefinovalo SI vteřinu jako přesně 9 192 631 770 kmitů záření atomu cesia-133. Poprvé byla základní jednotka času odpoutána od nebes a ukotvena k atomu.
Přesnost atomového času brzy přetvořila i další jednotky. V roce 1983 byl metr redefinován jako vzdálenost, kterou urazí světlo ve vakuu za 1/299 792 458 vteřiny. Protože rychlost světla je nyní považována za pevnou konstantu přírody, samotná vzdálenost je definována pomocí času. Tato konstanta je skutečně obrovská – světlo urazí přibližně 1,08 miliardy km/h (Rychlost světla ve vakuu do kilometr za hodinu) neboli asi 671 milionů mph (Rychlost světla ve vakuu do míle/h) – což je důvod, proč zlomek jedné vteřiny stačí k pokrytí celého metru a mnohem více.
Budoucnost: Hodiny pro věk vesmíru
Měření času se nezastavilo u cesia. Dnešní hranice patří optickým mřížkovým hodinám, které zachycují tisíce atomů – často stroncia nebo ytterbia – v mřížce laserového světla a čtou jejich oscilace na optických, nikoli mikrovlnných frekvencích. Protože tikají stotisíckrát rychleji než cesium, lze je měřit s ohromující přesností.
Nejlepší z těchto hodin jsou tak stabilní, že by nezískaly ani neztratily ani jedinou vteřinu po miliardy let – déle, než je současné stáří vesmíru. Taková přesnost není pouhé okázalé předvádění. Je dostatečně přesná na to, aby detekovala nepatrné zpomalení času předpovězené Einsteinem, když jsou hodiny zvednuty jen o pár centimetrů výše v zemské gravitaci, což otevírá dveře k použití hodin jako senzorů pro geologii, navigaci a fundamentální fyziku. V nadcházejících letech se všeobecně očekává budoucí redefinice vteřiny založená na optickém přechodu namísto cesia.
Od stínu k časovému pásmu
Od stínu obelisku k mřížce zachycených atomů se oblouk měření času neúprosně ohýbal k přesnosti. Každý skok – krokový mechanismus, kyvadlo, chronometr, křemen, atom – přivedl svět do těsnější synchronizace. Tato přesnost je neviditelným lešením pod moderním životem: koordinuje satelity, časově označuje finanční transakce a udržuje internet v kroku napříč kontinenty.
Je také základem něčeho, co používáte každý den. Úhledně uspořádaná Časová pásma, která vám umožní naplánovat hovor přes celý svět nebo chytit let na druhé straně světa, jsou možná jen proto, že se všichni můžeme shodnout na zlomek vteřiny, kolik je vlastně hodin.
Často kladené otázky
Jaké bylo první zařízení používané k určování času?
Nejstarší časoměřiče byly založeny na stínu. Staroegyptské obelisky, vztyčené již kolem roku 3500 př. n. l., vrhaly pohyblivé stíny, které rozdělovaly den, a kolem roku 1500 př. n. l. používali Egypťané přenosné stínové hodiny. Ty se vyvinuly ve sluneční hodiny, zdokonalené Řeky a Římany. Jejich omezení bylo zřejmé: fungovaly pouze za denního světla a jasné oblohy.
Kdo vynalezl kyvadlové hodiny?
Nizozemský vědec Christiaan Huygens sestrojil první praktické kyvadlové hodiny v roce 1656, přičemž navázal na Galileovo pozorování, že kyvadlo se kývá s konstantní periodou. Zlepšil přesnost přibližně stokrát, z mnoha minut chyby denně na vteřiny, a kyvadlové hodiny zůstaly nejpřesnějšími časoměřiči na světě po více než 250 let.
Jak hodiny pomáhaly námořníkům najít jejich polohu?
Protože se Země otočí o 15 stupňů zeměpisné délky každou hodinu, námořník, který zná přesný čas v pevném referenčním bodě, jej může porovnat s místním polednem na lodi a vypočítat zeměpisnou délku. Námořní chronometr H4 Johna Harrisona, dokončený v roce 1759, udržoval čas na moři dostatečně přesně, aby vyřešil tento „problém zeměpisné délky", když za 81denní plavbu ztratil jen asi pět vteřin.
Jak je dnes definována vteřina?
Od roku 1967 je SI vteřina definována jako přesně 9 192 631 770 kmitů záření emitovaného atomem cesia-133. To nahradilo starší definici založenou na rotaci Země, která byla příliš nepravidelná. První přesné cesiové atomové hodiny postavili Louis Essen a Jack Parry v roce 1955.
Jaké jsou nejpřesnější hodiny, jaké kdy byly vyrobeny?
Nejpřesnějšími hodinami dneška jsou optické mřížkové hodiny, které zachycují atomy, jako je stroncium nebo ytterbium, v laserovém světle a čtou jejich oscilace na optických frekvencích. Ty nejlepší z nich jsou natolik stabilní, že nezískají ani neztratí ani jedinou vteřinu po miliardy let – déle, než je stáří vesmíru.