Jak uvěznit čas? Dlouhá cesta od slunečních k atomovým hodinám

Pokusy o pochopení času byly (a jsou) po dlouhá staletí úkolem filozofů, přírodovědců i astronomů. Ti však nejprve museli prolomit nejrůznější božské mýty, které fenomén času ve starších kulturách obestíraly – do té doby nebylo mnoho prostoru na individuální otázky či pochybnosti. První konkrétnější představu o čase lidé získali pozorováním opakujících se přírodních jevů, především pravidelného pohybu nebeských těles. Přesnost chronometrie se pak stále zdokonalovala díky vývoji matematiky, astronomie nebo fyziky, ale i obchodu či bankovnictví.

Slunce, voda, oheň

Počátky měření času jsou spojeny s používáním relativně jednoduchých pomůcek a mechanismů, souhrnně označovaných jako elementární časoměrné přístroje. Prvním užívaným způsobem bylo pravděpodobně měření délky stínu svislého sloupu – gnómonu, což naznačují i dochované prameny z Číny, Egypta a Mezopotámie. Postupně se sluneční hodiny rozšířily i k dalším starověkým národům. Od Chaldejců se jejich znalost dostala do Řecka a odtud byla později převzata Římany. Znaly je i některé civilizace předkolumbovské Ameriky, např. Inkové.

Ve starověku užívané sluneční hodiny byly zpravidla konstruovány jako pevné. Teprve na sklonku středověku začaly být více užívány i přenosné sluneční hodiny. Renesance gnómoniky nastala v 15. až 18. století, kdy vzniklo bezpočet důmyslných přístrojů tohoto typu. 

Vedle slunečních hodin byly již ve starověku užívány také vodní hodiny. Znali je Egypťané, Číňané, Indové a další východní národy. Velkého rozšíření dosáhly v Řecku, kde jim říkali klepsydry. Kapalinové hodiny měly značnou nevýhodu – byly většinou schopné měřit čas pouze po dobu několika hodin. Jejich výhodou naopak byla nezávislost na slunečním svitu.

Ohňové hodiny měřily uplynulý čas délkou knotu odhořelé svíčky nebo doutnáku, případně množstvím spáleného oleje v lampě. Doutnákové hodiny někdy disponovaly zvukovou signalizací – k tomu se používaly například kuličky, které se z doutnáku uvolnily. Nejvíce byly rozšířeny v Číně, kde byly užívány již před třemi tisíci lety.

Posledním typem elementárních hodin jsou hodiny přesýpací. Jako náplň se v nich nejčastěji používal jemný písek, ale také drcený mramor, zrna zinkového a olověného prachu nebo jemně rozemleté vaječné skořápky. Přesýpací hodiny se uplatnily pouze pro měření kratších intervalů a jen zcela výjimečně byly sestrojovány pro několikahodinový chod. Nevynikaly přesností, výhodou však byla spolehlivost a možnost použití v kteroukoli denní i noční dobu.

Ozubený zlom

Nesmírně důležitým mezníkem ve vývoji chronometrie byl vynález mechanických hodin s ozubenými koly, krokovým mechanismem a oscilátorem, označovaných také jako kolečkové hodiny. Dnes je zřejmé, že první takové hodiny byly zhotoveny přibližně v polovině 13. století v západní Evropě. Nejstarší písemné zprávy dokumentují tato měřidla v anglickém Westminsteru a v Canterbury v letech 1288 a 1292. V průběhu následujících let se objevují další exempláře zejména v Itálii, Francii a Německu.

Jak takové hodiny fungují? Hlavní části hodinového mechanismu představují oscilátor a tzv. krokové ústrojí. Oscilátor je zařízení tvořící jádro hodin a je to vlastně mechanická soustava s určitou frekvencí kmitání. Má proto zásadní vliv na přesnost hodin. Krokový mechanismus pak při každém kyvu oscilátoru propouští jeden zub krokového kola a dodává tak oscilátoru energii. 

Nejstarší mechanický oscilátor je tzv. lihýř, který byl použit například i u Pražského orloje. K dalším významným oscilátorům patří setrvačka a kyvadlo, jehož zavedení přineslo značné zpřesnění chodu hodin. 

Použití kyvadla k řízení hodinového stroje navrhl filozof, astronom a fyzik Galileo Galilei (1564–1642). Svoji myšlenku však již nestihl zrealizovat. To učinil až nizozemský matematik a astronom Christian Huygens roku 1655.

Řízení hodin pomocí kyvadla je umožněno dokonale stálou zemskou přitažlivostí. Pokud je kyvadlo dlouhé jeden metr, zhoupne se z jedné strany na druhou za jednu sekundu. Na kyvadle je připevněno ozubené kolo, které se s každým zhoupnutím posune o jeden zub. Na něm je další kolo, posouvající vteřinovou ručičku a pomocí dalších převodů i minutovou a hodinovou ručičkou. O pohon se stará závaží odvíjející se z bubnu. Hlavní nevýhodou kyvadla je to, že je nelze použít u přenosných hodin, u nichž se proto dlouho udržel lihýř. 

Atomová přesnost 

Ve 20. století došlo k výraznému technickému rozvoji. Jedním z jeho výdobytků jsou atomové hodiny, o jejichž přesnosti si předchozí generace mohly nechat jen zdát. Jejich odchylka činí maximálně jednu sekundu za 150 milionů let. Atomové hodiny měří čas pomocí stabilní frekvence kmitání atomů plynného čpavku nebo cesia. První takové hodiny byly sestrojeny v USA v roce 1949. Jejich vynález znamenal skutečný zlom v dějinách měření a definice času – od roku 1967 je sekunda oficiálně popsána jako 9 192 631 770 kmitů atomů cesia. Pro svoji „nadčasovou“ přesnost se atomové hodiny využívají hlavně v hvězdárnách, laboratořích nebo vysokorychlostních letadlech. Nepostradatelná je také jejich funkce při kontrole jiných hodin. 

Dalším milníkem se staly elektronické hodiny řízené krystalem, obvykle označované jako „quartz“. Ty využívají tzv. piezoelektrického jevu, což je zjednodušeně řečeno schopnost krystalu generovat při deformaci elektrický proud určité frekvence, využitý pro řízení oscilátoru hodin. Nejznámějšími krystaly s touto vlastností jsou křemen a křišťál. Elektronické hodiny nejsou tak přesné jako atomové, přesto však přesností a dnes i lácí překonávají tradiční hodiny mechanické. Ty dnes existují již jen jako luxusní připomínka umu někdejších slavných hodinářů.

Jak vidno, od prostého pozorování vesmírných těles přes sluneční hodiny až do dnešních dnů urazila chronometrie nebývale dlouhou cestu. Nechme se proto překvapit, kam se měření času vydá za dalších pár desítek let.