Čas

Tento článek pojednává o fyzikální veličině a jejím měření. Další významy jsou uvedeny v článku Čas (rozcestník).

Ciferník pražského orloje

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.

Měření času

Čas měříme hodinami. 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

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“. 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. V r. 2011 byla rekordní dosažená přesnost měření času 1 sekunda za 32 miliard let, 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.

Čas jako fyzikální veličina

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

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.

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

Soustava SI akceptuje 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:

• 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.

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

• kalendářní den, vzhledem k přechodu na letní čas se jeho velikost může lišit o ± 1 hodinu, vzhledem ke korekci koordinovaného světového času (UTC) na reálnou rotaci Země o ± 1 přestupnou sekundu
• týden je 7 kalendářních dní
• měsíc je 28 až 31 kalendářních dní,
• (kalendářní) rok (značka r nebo y, yr z anglického year) je 365 dní (366 dní, je-li rok přestupný).

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 (annum), značka a, 1 a = 3,16 × 10⁷ s (zpravidla v geologii, též v jaderné fyzice pro pomalu se rozpadající atomy)
• (střední) juliánský rok, značka a_j nebo též pouze a, 1 a_j = 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 (či spíše jako jednotka udávanou univerzální konstantou, používanou v teoretické fyzice a kosmologii, kvůli velké nepřesnosti však metrologicky nevyužitelnou) je

• Planckův čas, obvykle značený t_P, a jeho obdoby v jiných soustavách přirozených jednotek. Takto stanovené jednotky závisejí na znalosti univerzálních fyzikálních konstant a jejich velikost je stanovena experimentálně. Podle současné adjustace konstant je hodnota této jednotky:

t_P = 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):

• "přirozená jednotka času" $\tfrac{\hbar}{m_\mathrm{e}c^2}$ s aktuální hodnotou 1,288 088 668 33(83) × 10^–21 s
• "atomová jednotka času" $\tfrac{\hbar}{\alpha^2 m_\mathrm{e}c^2}$ s aktuální hodnotou 2,418 884 326 502(12) × 10^–17 s (jednotka času Hartreeovy ("Bohrovy") soustavy atomových jednotek).

Příbuzné veličiny

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 T_½, a
• střední doba života, doporučená značka τ, obě používané v jaderné fyzice jako charakteristiky nestabilních atomů a částic.

Literatura

• 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

• Hodiny
• Universal Time (UT - univerzální čas)
• Time management
• Geologický čas

Externí odkazy

• (česky) Vše o času
• (německy) Aktuální středoevropský čas (atomové hodiny)
• (česky) Aktuální středoevropský čas

O měření času

• (anglicky) Různé systémy měření času
• (anglicky) Jednotky mimo SI
• (anglicky) Přestupná sekunda

Přesný čas a časové zóny

• (anglicky) The World Clock - Time Zones
• (anglicky) UTC/TAI Timeserver
• (anglicky) Interactive Map of World Time
• (anglicky) GMT and all other timezones…
• (anglicky) TimeTicker and the time tickers…
• (anglicky) Official US time

Fyzika

• (anglicky) A walk through Time
• (anglicky) Time Travel and Multi-Dimensionality
• (anglicky) Time and classical and quantum mechanics: Indeterminacy vs. discontinuity
• (anglicky) Time as a universal consequence of quanta
• (anglicky) Theories With Problems: What Is Time?
• (anglicky) Exploring the Nature of Time
• (anglicky) Sean Carroll on the arrow of time (Part 1), The origin of the universe and the arrow of time, Sean Carroll, video z přednášky, CHAST 2009, Templeton, Faculty of science, University of Sydney, listopad 2009, TED.com

Chronologické společnosti na WEBu

• (anglicky) Stránka Antiquarian Horological Society GB
• (anglicky) (francouzsky) (německy) Stránka Chronometrophilia CH
• (německy) Stránka Deutsche Gesellschaft für Chronometrie D
• (francouzsky) Stránka Association Francaise des Amateurs d´Horlogerie Ancienne F