Čas

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Tento článek pojednává o fyzikální veličině a jejím měření. Další významy jsou uvedeny v článku Čas (rozcestník).
Kalendář pražského orloje

Čas je jedna ze základních fyzikálních veličin, jíž se měří vzdálenost mezi událostmi na první souřadnici časoprostoru. Čas se dá také definovat jako neprostorové lineární kontinuum, v němž se události stávají ve zjevně nevratném pořadí. Jako takový je podstatnou složkou struktury vesmíru. Je velmi obtížné, až nemožné, si čas nějak představit. Pokusy o pochopení času byly po dlouhou dobu především doménou filosofů, později i přírodovědců. Na povahu a smysl času existuje množství silně odlišných náhledů, a je proto obtížné nabídnout jeho nekontroverzní a jasnou definici. Důležitým pojmem je tzv. šipka času, která určuje smysl (směr) plynutí času, který odpovídá směru rozpínání vesmíru.

Měřením času se také zabývají hlavně vědci a technici a v minulosti to byl jeden z hlavních úkolů astronomie. Čas má ovšem zásadní význam i pro běžný lidský život, který je z povahy věci časově omezen („nemám čas“), pro organizaci lidské společnosti (kalendář), včetně hospodářství („čas jsou peníze“). Čas byl vždy důležité téma pro spisovatele, umělce a filosofy. Jednotky času kvantifikují délku trvání událostí a intervalů mezi nimi. Pravidelně se opakující události a objekty se zjevně pravidelným pohybem dlouho sloužily jako standardy pro jednotky času – mezi takové očividně pravidelné jevy patří pohyb Slunce po obloze, fáze Měsíce a kmit kyvadla.

Historie měření času[editovat | editovat zdroj]

Sypání písku v přesýpacích hodinách se užívá k odměřování uplynulého času.

O měření času se lidé pokoušejí již tisíciletí, základní myšlenku toho měření vyjádřil Aristotelés definicí, že „čas je napočítaný pohyb ve vztahu k před a po“.[1] Čas se tedy měří počítáním (pravidelných) pohybů, a to tradičně na dvou úrovních: pro delší intervaly počítáním roků, měsíců a dnů v kalendáři, pro kratší intervaly počítáním rychlejších pravidelných jevů na hodinách. Obě úrovně předvádí pražský staroměstský orloj s horním ciferníkem hodinovým a dolním kalendářovým. Pro kalendářní měření času se nejprve používaly dobře viditelné fáze Měsíce, později i (zdánlivý) roční pohyb Slunce. Už z mladší doby kamenné (neolitu) jsou známy stavby, které sloužily ke stanovení slunovratu a rovnodennosti (např. Stonehenge), o pokročilejších způsobech kalendářního měření patrně svědčí nedávno nalezený disk z Nebry. Také zdánlivý roční pohyb některých hvězd (např. Siria) se užíval ke stanovení správné doby pro polní práce.

Pro určování denní doby a pro měření kratších (infradiánních) intervalů se využíval (zdánlivý) denní pohyb Slunce, měřený délkou stínu, později gnómonem a slunečními hodinami. Vyspělejší kultury užívaly i vodní hodiny (klepsydra) a od středověku přesýpací hodiny s pískem. Ty byly nejpřesnějším prostředkem na odměřování kratších intervalů až do 17. století.

První mechanické hodiny se podle nejistých zpráv objevily snad ve 12. století, spolehlivé zprávy jsou však až z přelomu 13. a 14. století z anglických a francouzských klášterů. Mechanické hodiny se skládají ze tří částí: 1) oscilátoru, 2) zdroje energie a 3) počítacího a indikačního zařízení. První hodiny užívaly jako oscilátor poměrně nepřesný lihýř, jako zdroj energie závaží a měly i bicí zařízení. Od 14. století se vyráběly přenosné a kapesní hodiny s pružinou, byly ovšem málo přesné. Při pokusech s volným pádem měřil snad Galileo Galilei čas počítáním srdečního tepu a krátce před smrtí zkonstruoval velmi důmyslné hodiny s využitím kyvadla jako oscilátoru (prvku určujícího rychlost chodu hodin).

Kyvadlové hodiny však poprvé realizoval až roku 1657 holandský fyzik Christiaan Huygens, který také o něco později vybavil lihýř pružinou, čímž vznikl nepokoj, přesnější oscilátor, který se hodil i do přenosných a velmi malých hodinek. Přesnost mechanických hodin se dále zvyšovala a v 18. století se podařilo změřit nerovnoměrnosti v pohybu Země. Tím byl zdánlivý pohyb Slunce jako časový normál nahrazen mechanickými oscilátory a hodinami.

Ve 20. století se začaly používat i jiné pohony a oscilátory. Nejrozšířenější jsou dnes hodiny s elektrickým pohonem a piezoelektrickým či křemenným (quartzovým) oscilátorem. Ten má vysokou přesnost, nízké výrobní náklady a snadno se propojuje s elektronickými obvody. Pro nejpřesnější měření času se užívají atomové hodiny, využívajících vlastní frekvence pravidelných kmitů při stavovém přechodu atomu cesia. Nejpřesnější světový čas se určuje statistickým průměrem několika set césiových hodin po celém světě.

Nepřesnost (lépe nerovnoměrnost čili variace chodu) hodin, která činila u prvních lihýřových hodin asi 100 s/den (0,1%), se u nejlepších kyvadlových hodin snížila na sekundu za rok, u křemenných hodin na sekundu za tisíc let a u césiových hodin na sekundu za milion let[2]. V r. 2011 byla rekordní dosažená přesnost měření času 1 sekunda za 32 miliard let,[3] což je více než dvojnásobek věku vesmíru. Tomu odpovídá relativní přesnost 4 × 10-19. Během staletí od vynálezu hodin se tedy přesnost zlepšila o 16 desetinných řádů. Měření času a kmitočtu patří dnes k nejpřesnějším měřením vůbec. V současnosti (r. 2011) je dokonce znám princip tzv. jaderných hodin, založených na magnetickém dipólovém přechodu mezi energetickými stavy jádra iontu thoria, který by umožňoval dosažení nepřesnosti pouhé 1 s za 200 miliard let.[4][5][6]

Čas jako fyzikální veličina[editovat | editovat zdroj]

Čas je fyzikální veličina, která vyjadřuje dobu trvání děje, nebo okamžik (umístění dané události) v časové škále. Čas je veličinou protenzivní.

Čas je základní veličinou všech běžně používaných soustav veličin, tedy i soustavy SI.

Doporučený symbol veličiny: t (angl. time, lat. tempus)

Jednotky[editovat | editovat zdroj]

Běžné jednotky času
Jednotka velikost poznámka
Pikosekunda 10−12 s
Nanosekunda 10−9 s
Mikrosekunda 10−6 s
Milisekunda 10−3 s
Sekunda zákl. jednotka SI
Minuta 60 sekund
Hodina 60 minut, 3600 s
Den 24 hodin, 86 400 s
Týden 7 dní
Měsíc 28 až 31 dní
Rok 12 měsíců
Rok 52 týdnů + den
Obyčejný rok 365 dní
Přestupný rok 366 dní
Tropický rok 365,24219 dní průměr
Desetiletí 10 let
Generace 25 až 30 let
Století 100 let
Tisíciletí 1000 let

Základní jednotkou času je v soustavě SI sekunda (mezinárodní značka s), která je definována jako doba trvání 9 192 631 770 period záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu cesia 133. Tato definice předpokládá cesiový atom v klidu při teplotě absolutní nuly.[7] Jedná se tedy o vlastní čas.

V běžném hovorovém jazyce se pro označení této jednotky používá výraz vteřina, v písemném projevu a ve fyzice to však není vhodné, protože vteřina je jednotkou jiné veličiny - rovinného úhlu.

Soustava SI dovoluje používat souběžně se základní jednotkou sekunda a jejími dekadickými násobky a díly - zejména milisekundou (značka ms), mikrosekundou (µs), nanosekundou (ns) a pikosekundou (ps) - následující jednotky:[8]

  • minuta, značka min, 1 min = 60 s
  • hodina, značka h, 1 h = 60 min = 3600 s
  • den, značka d, 1 d = 24 h = 86 400 s.

Pozn.:

  • (Swatch) beat (česky překládaná jako takt, případně zavináč), 1 beat = 1/1000 dne je jednotka zavedená pro udávání tzv. internetového času. Používá se pouze pro udávání aktuálního času okamžiku, nikoli pro dobu trvání děje. Nejedná se o mimosoustavovou jednotku akceptovanou v příručce SI.[8]

Časové stupnice používají souřadnicový čas. Jde o frekvenčně korigovaný vlastní čas atomových hodin, aby byla časová stupnice s ohledem na teorii relativity stejná pro všechny.

Větší mimosoustavové jednotky než den se používají např. v kalendáři. Nejsou však již definovány jednoznačně:

Jednotky den a rok jsou odvozeny z astronomických časových charakteristik otáčení Země kolem své osy a jejího oběhu kolem Slunce, astronomové proto od kalendářního dne a roku důsledně rozlišují přesně definované pojmy pravý sluneční den, střední sluneční den, hvězdný den, tropický rok a siderický rok.

I některé přírodní vědy, zabývající se dlouhými časovými obdobími (astrofyzika, kosmologie, geologie), však potřebují větší jednotky, ale exaktně definované. Používají proto jednu z následujících odlišně (ale přesně a univerzálně) definovaných jednotek pro rok:

  • rok (annus), značka a, 1 a = 3,16 × 107 s[9][10] (zpravidla v geologii, též v jaderné fyzice pro pomalu se rozpadající atomy)
  • (střední) juliánský rok, značka aj nebo též pouze a[11], 1 aj = 365,25 dne = 3,155 76 × 107 s (v astronomii a astrofyzice - dle IAU)

a z jejich násobků nejčastěji

  • 1 Ma = 106 a
  • 1 Ga = 109 a.

Naopak mimosoustavovou jednotkou menší než sekunda je

  • Planckův čas, obvykle značený tP, a jeho obdoby v jiných soustavách přirozených jednotek. Takto stanovené jednotky závisejí na znalosti univerzálních fyzikálních konstant a jejich velikost je stanovena experimentálně. Užívá se v teoretické fyzice a kosmologii, pro malou přesnost není však v metrologii použitelná. Podle současné adjustace konstant je hodnota této jednotky:[12]
tP = 5,391 06(32) × 10-44 s.

Mezinárodní úřad pro míry a váhy (BIMP) uvádí jako přirozené jednotky času mnohem přesněji stanovené (a proto pro metrologické účely vhodnější) konstanty (ve vztazích \hbar je redukovaná Planckova konstanta, m_\mathrm{e} hmotnost elektronu, c rychlost světla ve vakuu a \alpha konstanta jemné struktury):[13]

Příbuzné veličiny[editovat | editovat zdroj]

Stejného fyzikálního charakteru jako čas je několik dalších fyzikálních veličin. Nejpoužívanější jsou:

  • perioda, doporučená značka T, udávající nejkratší časový interval opakování periodického děje,
  • poločas přeměny, doporučená značka T½, a
  • střední doba života, doporučená značka τ, obě používané v jaderné fyzice jako charakteristiky nestabilních atomů a částic.

Zápis času[editovat | editovat zdroj]

Hodiny a minuty se standardně podle českých i mezinárodních norem (jako je např. ISO 8601) oddělují dvojtečkou (např. 12:35) - většinou ve vědeckých a technických oborech (jako jsou například počítače), protože v jiných státech, kde se jako desetinná čárka používá tečka, by mohlo dojít k nejednoznačnostem. Pouze pravidla českého pravopisu (ale i slovenského) uvádějí (v jistých případech) jako oddělovač tečku (např. 12.35),[16] která se používá spíše v literatuře a typografii.

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. Aristotelés, Fysika 219b.
  2. Se současným cesiovým standardem se dosahuje relativní přesnost měření 2,3×10-16 (viz [1]), nadějným kandidátem na přesnější měření se v současnosti jeví atomové hodiny založené na 87Sr, viz CAMPBELL, Gretchen K., Andrew D. Ludlow, Sebastian Blatt, Jan W. Thomsen, Michael J. Martin, Marcio H. G. de Miranda, Tanya Zelevinsky, Martin M. Boyd1, Jun Ye, Scott A. Diddams, Thomas P. Heavner, Thomas E. Parker, Steven R. Jefferts The absolute frequency of the 87Sr optical clock transition. Metrologia [online]. , 23. září 2008, roč. 45, čís. 5, s. 539-548. Dostupné online. DOI:10.1088/0026-1394/45/5/008.  
  3. New calculations on blackbody energy set the stage for clocks with unprecedented accuracy, PhysOrg, 9. května 2011 (anglicky)
  4. Campbell C. J., Radnaev A. G., Kuzmich A., Dzuba V. A., Flambaum V. V., Derevianko A.: A Single-Ion Nuclear Clock for Metrology at the 19th Decimal Place. ArXiv:1110.2490v1, 11. října 2011 (anglicky)
  5. Bob Yirka: Research team shows nuclear clock could be 60 times more accurate than atomic clock. PhysOrg, 9. listopadu 2011 (anglicky) - popularizační článek k předchozí referenci
  6. Bob Beale: Proposed nuclear clock may keep time with the Universe. PhysOrg, 8. března 2012 (anglicky)
  7. Definice sekundy v brožuře SI, oddíl 2.1.1.3 (anglicky)
  8. a b Tabulka akceptovaných mimosoustavových jednotek v příručce SI
  9. HOLDEN, N. E.. Table of isotopes. In CRC Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton : CRC Press, 2001. Sekce 11, s. 50-197. (anglicky)
  10. EarthTime: On using the correct units for geological time
  11. The Unified Code for Units of Measure, ver. 1.8.2, 2009, §31 (anglicky)
  12. Dle CODATA - adjustace z r. 2010, viz Planck time. Standardní odchylka vyznačená závorkou se týká posledních dvou platných číslic.
  13. Tabulka mimosoustavových jednotek s experimentálně určovanou hodnotou v příručce SI
  14. Dle CODATA - adjustace z r. 2010, viz natural unit of time. Standardní odchylka vyznačená závorkou se týká posledních dvou platných číslic.
  15. Dle CODATA - adjustace z r. 2010, viz atomic unit of time. Standardní odchylka vyznačená závorkou se týká posledních dvou platných číslic.
  16. http://prirucka.ujc.cas.cz/en/?id=820 - Časové údaje

Literatura[editovat | editovat zdroj]

  • M. Brennan, Kameny času. Praha 1997
  • M. Hajn, Základy jemné mechaniky a hodinářství. Praha 1953
  • S. Hawking, Stručná historie času. Praha
  • S. Michal, Hodiny. Praha 1980
  • J. Sokol, Čas a rytmus. 2. vyd. Praha 2004
  • N. Máčová, Čas. 1. vyd. Nová forma 2012

Související články[editovat | editovat zdroj]

Logo Wikimedia Commons
Wikimedia Commons nabízí obrázky, zvuky či videa k tématu

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]

O měření času[editovat | editovat zdroj]

Přesný čas a časové zóny[editovat | editovat zdroj]

Fyzika[editovat | editovat zdroj]

Chronologické společnosti na WEBu[editovat | editovat zdroj]