Jak je definována sekunda?

V jednotkách času panoval v historii podobný či snad ještě větší zmatek, než tomu bylo u jednotek délky. Mnoho z těchto podivností se zachovalo, zejména v našem kalendáři, dodnes. Většina historických časových jednotek vychází z periodických pohybů, které nám nabízí příroda.

  • Rok = doba oběhu Země kolem Slunce. Délku jednoho roku je možné změřit poměrně přesně pomocí sledování pohybu Slunce po obloze. Už ve starém Egyptě určili délku roku velmi přesně jako 365 a ¼ dne.
  • Měsíc = doba mezi dvěma následujícími úplňky. Trvá zhruba 29,5 dne. Podle jedné z teorií vznikl náš sedmidenní týden jako necelá čtvrtina jednoho měsíce.
  • Hvězdný den = 23 hodin 56 minut. Je to doba, za kterou se Země otočí kolem své osy o 360 stupňů. Určíme ji snadno pomocí pohybu hvězd po obloze. Je to doba, za kterou se hvězda vrátí na stejné místo na obloze.
  • Sluneční den = 24 hodin. Je to doba mezi dvěma následujícími kulminacemi Slunce. Kulminace Slunce znamená bod, kdy je Slunce na obloze nejvýše – označuje se také jako astronomické poledne. Sluneční den je delší než hvězdný, neboť Země se za den o kousek posune na své dráze kolem Slunce (viz obrázek).
2.12 - Rozdíl mezi hvězdným a slunečním dnem. Mezitím než se Země otočí o 360° vůči hvězdám, posune se na své trajektorii kolem Slunce. Díky tomu je sluneční den o něco delší než hvězdný.
Zdroj
Příklad 1

Proveďte výpočet, který dokazuje, že časový rozdíl mezi hvězdným a slunečním dnem je cca 4 minuty.

Řešení:

Na obrázku vidíme, že Země se musí otočit o 360° a ještě malý kousek (červeně vyznačený úhel), aby se Slunce opět dostalo do stejné pozice na obloze. Země zároveň obíhá kolem Slunce a za jeden den změní svoji polohu přibližně o 1/365 z 360°, to je asi o 1°. Teď už známe velikost červeného úhlu a zbývá spočítat, za jak dlouho se Země otočí kolem své osy o 1°. Je to 1/360⋅24⋅60 min = 4 min.

Konečně se dostáváme k definici sekundy. Dělení hodiny na 60 dílů má původ v babylonské říši, která používala šedesátkovou soustavu. Název sekunda máme z latiny: Pars minuta prima znamená první malá část (hodiny). Pars minuta secunda potom druhá malá část. To bylo zkráceno do dnešní podoby:

hodina = 60 minut = 3600 sekund

Na základě výše uvedeného bylo možné definovat sekundu pomocí délky dne:

sekunda = 1/3600 hodiny = 1/86400 středního slunečního dne.

Poznámka na okraj: Střední sluneční den

Komplikací, která byla dobře známa už starověkým astronomům, je kolísání délky slunečního dne během roku. Astronomické poledne určené podle slunečních hodin se v průběhu roku posouvá až o 15 minut na obě strany (viz graf). Délka jednoho dne se v důsledku toho mění až o 30 sekund. Proto musíme určit průměrnou délku dne – střední sluneční den.

2.13 - Odchylka pravého poledne od rovnoměrného času. Křivka nad osou znamená, že poledne nastává dříve, naopak křivka pod osou značí opoždění oproti normálu.
Zdroj

Ve 20. století bylo zřejmé, že rotace Země ani její oběh kolem Slunce nejsou přesně pravidelné vzhledem ke stále větší přesnosti měření času. V padesátých letech přišly na svět extrémně přesné atomové hodiny. Atomy určitého prvku zde určují přesnou frekvenci pomocí energiových hladin svých elektronů (přesný princip pochopíte v kapitole kvantová optika). Výhoda takového zdroje přesné frekvence je, že je definován přímo vlastnostmi samotných atomů a ty jsou všechny stejné a kdykoliv dostupné. Na základě atomových hodin byla proto zavedena nová definice sekundy pomocí atomu cesia:

1 sekunda = čas určený 9 192 631 770 periodami záření odpovídajícího přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemného rozstěpení základního stavu atomu cesia 133.

Tuto definici není třeba si pamatovat: slouží nám jako ukázka toho, jak přesně dnes umíme měřit.

Jak měříme čas v praxi?

Dlouhou dobu se čas měřil pomocí slunečních hodin. Den i noc byly rozděleny na 12 hodin. Den trval od svítání do soumraku a noc od soumraku do svítání. To pochopitelně znamenalo, že “denní” hodina nebyla stejná jako “noční” hodina. Dělení dne na stejnoměrné hodiny se prosadilo až koncem středověku.

Velký zlom v měření času nastal až v roce 1655, kdy holandský fyzik Christian Huygens sestrojil první kyvadlové hodiny. Jejich odchylka činila asi 15 sekund za jeden den.

Dalším mezníkem byl námořní chronometr H4 Johna Harrisona z roku 1759 (viz obrázek). Ten dosáhl odchylky asi 15 sekund za 5 měsíců plavby na moři, tedy asi 0,1 sekundy za den. Kyvadlo je v těchto hodinách nahrazeno kmitající pružinou ve tvaru malé spirály.

Další hodinářská revoluce přichází až ve dvacátém století. V šedesátých letech je ve Švýcarsku zdokonalen systém quartz, kdy oscilátorem je miniaturní křemenný krystal zapojený do elektrického obvodu. Odchylka chodu takových hodinek nepřesahuje 10 sekund za rok, tedy 0,03 sekundy za den. To je jen o něco lepší výsledek než u Harrisonova chronometru, ale hodinky lze vyrábět v malém provedení a s minimálními náklady.

V padesátých letech také přichází na svět první cesiové atomové hodiny s odchylkou cca 1 sekundy za 300 let. Přesnost atomových hodin se rychle zlepšovala a momentálně (2019) nejpřesnější hodiny na světě jsou stronciové hodiny sestrojené americkým Národním institutem pro standardy a technologie (NIST). Jejich odchylka je necelá sekunda za 15 miliard let! Možná se ptáte, k čemu je nám taková přesnost dobrá, ale bez atomových hodin by neexistovala družicová navigace (GPS), synchronizace internetu ani obchodování na světových burzách.

Pokud chceme znát přesný občanský čas, není třeba si pořizovat atomové hodiny, stačí nám podívat se na internet (např. www.presnycas.eu). Pro většinu aplikací (fyzika, technika, sport) nám pak postačí obyčejné hodinky s křemenným krystalem nebo stopky. Při měření kratších časů musíme dávat pozor na reakční dobu člověka. To je čas, který potřebuje náš mozek, aby vyhodnotil zrakový vjem a vyslal signál do příslušného svalu. Reakční doba se pohybuje v rozmezí od 0,1 s do 1 s a závisí na mnoha okolnostech.