6 NAŠE SLUNEČNÍ SOUSTAVA JE VELMI MALOU ČÁSTÍ JEDNÉ Z MILIARD GALAXIÍ VE VESMÍRU

Měření času

Čas je jednou ze základních fyzikálních veličin. Ovlivňuje lidský život od pradávna a lidé jsou si plynutí času vědomi už od doby, kdy si začali vědomě všímat své okolí. Čas se od ostatních základních fyzikálních veličin liší, a  to tím, že jeho plynutí je pouze jednosměrné. Z hlediska fundamentálních fyzikálních teorii, jakými je například obecná teorie relativity, má čas ještě další, mnohem obecnější význam – odraz invariantnosti časoprostoru vůči posunu v  čase se projevuje klíčovým přírodovědeckým zákonem, zobecněným zákonem zachování energie. Pokud se na čas podíváme očima kvantové mechaniky, pozorujeme čas jiný, než jaký popisuje klasická fyzika. Čas je kvantován v maličkých zrníčkách, kvantech s velikostí 10 – 35 s, jak popsal významný německý fyzik přelomu 19. a 20. století Max Planck.. Ještě pozoruhodnější je, že čas má svůj nepřekročitelný počátek, okamžik, v němž čas vznikl společně s celým vesmírem. Tento okamžik nazýváme Velký třesk (Big Bang). Zda má čas také svůj konec, to je opět spojeno s existencí celého vesmíru. Pokud má vesmír svůj konec, pokud končí ohromným kolapsem zvaným Velký krach (Big Crunch), skončí s ním i čas. 

Vnímání času

Jak je uvedeno výše, čas patří k  fyzikálním veličinám, jejichž existenci si člověk začal uvědomovat nejdříve. První vnímání plynutí času souvisí s vnímáním pravidelného stří­ dání dne a noci. Příčina tohoto jevu, tedy rotace Země kolem své osy (postupné osvětlování různých míst na Zemi slunečním zářením) však byla odhalena mnohem, mnohem později. Druhý časový interval, který si lidé začali uvědomovat, bylo postupné střídání jednotlivých fází Měsíce. I zde vnímání existence fází Měsíce velmi výrazně předcházelo pochopení příčin jejich vzniku.

Jednotky času

Velmi zjednodušeně můžeme konstatovat, že prvními jednotkami času, které člověk za­ číná registrovat, je den a měsíc. Existence těchto jednotek umožňuje konstruovat dlouhodobější časové intervaly, ze kterých je nejtypičtější rok. Jaká je délka roku a jak souvisí s délkou dne a měsíce, to je otázka, kterou řeší kalendář, resp. kalendáře. Otázce kalendářů se věnujeme v  jedné z  následujících kapitol, kde rozebíráme podstatu kalendářů, jejich historický vývoj i  to, jak tvorbu kalendářů ovlivňovaly postupně se zlepšující poznatky o vesmíru a procesech v něm probíhajících včetně návrhu, jak tyto poznatky začlenit do školní či mimoškolní výuky pro děti ve věku 7 – 10 let.

Pokud je kalendář prostředkem pro zaznamenávání delších časových intervalů, je zřejmé, že postupem vývoje lidské civilizace se lidé začínají zajímat také o  určování časových intervalů kratších než jeden den, a to s rostoucí potřebou přesnosti. V obou oborech měření časových intervalů je základním etalonem příroda, nejčastěji ve formě astronomických procesů, které měření času determinují a správnost metod měření také jednoznačně potvrzují (či naopak vylučují). Tak, jak postupuje poznání astronomických procesů, zlepšuje se i přesnost ověření metod měření času.

Měření času

Při měření času a jeho transformaci do výukových metod je důležité rozlišovat dva zá­ kladní typy měření. Jedním je měření toho, „kolik je hodin“, kde jsme zvyklí používat nejrůznější druhy hodin či hodinek, v  minulosti se v  tomto smyslu nejčastěji používaly různé druhy slunečních hodin, druhým je měření délky časového intervalu, tedy měření toho, „jak dlouho daný jev trval“. Zde sice rovněž můžeme použít hodiny či hodinky, zaznamenat začátek a konec jevu a z rozdílu těchto hodnot určit dobu trvání jevu, velmi často se však v těchto případech používají speciální časoměrné zařízení, jakými jsou zejména stopky, rané například přesýpací, vodní, svíčkové či další hodiny. K  transformaci procesu měření času se velmi hodí připomenutí historických měřidel času, jak je uvedeno v předchozím odstavci, je však nutné znát systémové omezení jednotlivých měřidel, resp. metod měření času.

Rok a měsíc

Z astronomického hlediska jezákladním etalonem jeden rok, který je dán oběhem Země kolem Slunce. Astronomové rozlišují několik definic roku spojených s  různou vztažnou soustavou. Z nich jsou nejvýznamnější tropický rok(používaný nejčastěji v běžném životě a navázaný na kalendář), siderický roka anomalistický rok.

Tropický rok je definován jako doba mezi dvěma přechody Slunce jarním bodem (jarní bod je průsečíkem ekliptiky, tedy pomyslné trajektorie Slunce na nebeské sféře, s  nebeským, čili světovým rovníkem, ve kterém se Slunce nachází na začátku jara). Trvá 365,242 192 129 dne (365 d, 5 h, 48 min, 45 s). Je to perioda, s  níž se střídají v mírném zeměpisném pásmu roční období.
Siderický rok (také hvězdný rok) je doba, za kterou oběhne Zemi kolem Slunce vzhledem ke vzdáleným hvězdám. Trvá 365,256 363 051 dne (365 d, 6 h, 9 min, 9 s).
Anomalistický rok je doba, která uplyne mezi dvěma přechody Země přísluním, čili periheliem (bod, kdy je Země během roku nejblíže ke Slunci). Trvá 365,259 635 864 dne (365 d, 6 h, 13 min, 53 s).

Podobně je také měsíc možné definovat různě. Pro kalendářní účely se používá měsíc synodický, popisující změny tvaru měsíčního kotouče z pohledu pozorovatele ze Země. Jeho délka představuje 29,530 588 853 dne. Siderický měsíc je doba oběhu vztahující se ke vzdáleným hvězdám s délkou 27,321 661 547 dne. Tropický měsíc se vztahuje k jarnímu bodu a trvá 27,321 582 241 dne, anomalistický měsíc je doba oběhu měsíce vůči perigeu s délkou 27,554 549 878 dne a drakonický měsíc se vztahuje k výstupnímu uzlu měsíční dráhy (jde o průsečík trajektorie středu měsíčního kotouče na nebeské sféře s nebeským neboli světovým rovníkem, ve kterém se měsíční kotouč dostává severně (tedy „nad“) od nebeského, čili světového rovníku a jeho délka představuje 27,212 220 817 dne.

Z pohledu měření času jako tématu pro školní či mimoškolní vzdělávání jsou významnější kratší časové jednotky. Základní jednotkou času je sekunda, která je definována jako doba trvání 9 192 631 770 period záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu 133 Cs. Dalšími jednotkami jsou pak jednotky odvozeny v rámci šedesátkové soustavy: minuta (1 min = 60 s), hodina (1 h = 60 min = 3 600 s) a den (1 d = 24 h).

Sluneční hodiny

Jak je uvedeno výše, základním měřítkem času, ve smyslu „kolik je hodin“, jsou sluneční hodiny. I  když existuje více typů slunečních hodin, nejčastěji ukazují sluneční hodiny čas tak, že stín vržený tyčkou dopadá na ciferník se stupnicí slunečních hodin. Tyčka je podle své polohy vzhledem k ciferníku označována jako gnómon (tyčka je kolmá k rovině ciferníku), nebo jako poloosa (tyčka má směr rovnoběžný se zemskou rotační osou).

Čas měřený slunečním hodinami je odvozen od pohybu slunečního kotouče po obloze. Tento čas označujeme jako pravý sluneční čas a jde o čas, který je sice blízký tomu, který máme na hodinách či hodinkách, ale přesto se od tohoto času liší.

Hlavní příčiny odlišností jsou tři:

  • V občanském životě používáme střední sluneční čas, tedy čas, který na rozdíl od pravého slunečního času běží rovnoměrně. Nerovnoměrné plynutí pravého slunečního času je způsobeno tím, že sklon zemské osy vůči ekliptice (rovině oběhu Země kolem Slunce) je 66,5° a navíc se Země kolem Slunce nepohybuje po kružnici, ale po elipse. Díky tomu jsou pravé slunečné dny různě dlouhé: nejkratší pravý slunečný den je na přelomu června a července, kdy Země prochází nejvzdálenějším bodem své trajektorie, odsluním nebo aféliem. Naopak nejdelší pravý slunečný den je na přelomu prosince a ledna, kdy Země prochází nejbližším bodem své trajektorie, přísluním nebo periheliem. Střední sluneční čas je „zprůměrovaný“ sluneční čas, jehož všechny dny jsou stejně dlouhé. Rozdíl mezi pravým a středním slunečním časem se během roku mění, největší rozdíly dosahuje v  polovině února a  začátkem listopadu, a  to přibližně 15 minut.
  • V  občanském životě používáme pásmový čas, což je v  případě České republiky i v případě Spolkové republiky Německo střední sluneční čas odpovídající 15. po­ ledníku východní šířky. Na místech, která jsou západně od tohoto poledníku, je hodnota pravého slunečního času menší, a to o 4 minuty na každý stupeň zeměpisné délky. Obdobně na místech východně od 15. poledníku je pravý sluneční čas větší (znovu o 4 minuty na každý stupeň délky).
  • V občanském životě používáme od konce března do konce října letní čas, který je o hodinu větší než středoevropský čas.

S těmito odlišnostmi musíme počítat při stavbě slunečních hodin. Na druhé straně vědomí těchto principiálních rozdílů mezi pravým a  středním slunečním časem umožňuje podrobněji vysvětlit uvedené přírodní jevy i jejich důsledky. Nejjednodušším způsobem je možné „kompenzovat“ třetí uvedenou odlišnost (letní čas): stupnici je možné doplnit ještě jednou stupnicí s hodnotami letního času. Rovněž druhá odlišnost středního a pravého slunečního času (zeměpisná šířka) znamená konstantní posun stupnice. Je však možné kompenzovat i první odlišnost, postupnou změnu rozdílu mezi pravým a středním slunečním časem způsobenou sklonem zemské osy a  eliptičností trajektorie Země. V  tom případě nebude ukazatel daného času na stupnici slunečních hodin úsečka, ale křivka ve tvaru „osmičky“. Takové sluneční hodiny je možné skutečně na některých místech vidět, jejich konstrukce je však mnohem náročnější a pro školní účely nevhodná.

Některé sluneční hodiny mohou na konci tyčky obsahovat kulaté zakončení, nazývané nod. Obvykle pak takové sluneční hodiny na ciferníku obsahují kromě stupnice ještě další křivky, které vyznačují délku stínu v různých významných dnech v roce, například ve dnech rovnodennosti a slunovratu (v den slunovratu stín nodu dopadá přesně na křivku slunovratu). Poté mohou sluneční hodiny kromě času ve smyslu „kolik je hodin“ ještě zhruba ukazovat, „který je asi měsíc v roce“. Je nutno přiznat, že toto označení je dosti nepřesné a při většině měsíců nejednoznačné (z délky stínu lze obvykle určit jen dvojici příslušných měsíců v roce).

Měření intervalu

Přístroje na měření doby trvání toho, „jak dlouho daný jev trval“, jsou pro školní demonstraci rovněž velmi vhodné. Je možné využít originální měřící přístroje, ale ještě vhodnější jsou přístroje vyrobené samotnými žáky. Nejvhodnější pro takovou výrobu jsou přesýpací hodiny a vodní hodiny (snadno proveditelné jsou samozřejmě i svíčkové ho­ diny, avšak v podmínkách žáků do 10 let je zejména ve větších skupinách vysoké nebezpečí poškození či úrazu).

Přesýpací hodiny

Při přesýpacích hodinách je důležité využití co nejpravidelnějších částic písku. Nejlepší v tomto směru je písek říční vystaven dlouhodobému působení vody, kde se jednotlivé částečky působením vodní eroze a interakcí s dalšími částečkami obrušují a nabývají pravidelný, téměř kulatý tvar. Před použitím je vhodné písek ještě prosít přes sítko, aby se eliminovala přítomnost větších zrnek písku. I přes pečlivou přípravu přesýpacích hodin je třeba počítat s tím, že doba přesýpání písku z jedné části do druhé, resp. zpět, nebude totožná. To je typickou vlastností každého fyzikálního jevu či procesu a projevuje se tím, že při různých měřeních získáváme odlišné výsledky. Ukázání tohoto fenoménu je vedlejším, avšak neméně významným výsledkem práce.

Vodní hodiny

Při vodních hodinách vytvořených z PET láhve s otvorem ve spodní části je možné měřit čas výtoku kapaliny z láhve po otevření víčka. Láhev lze navíc vybavit stupnicí, například pomocí fixy, která umožní měřit i  menší délky časových intervalů. Přitom se ukáže, že stupnice není rovnoměrná, protože rychlost výtoku kapaliny se s klesající výškou hladiny vody v nádobě zmenšuje. Výtok rovněž ovlivňuje i velikost horního otvoru láhve, takže je možné ukázat i změnu doby výtoku vody z láhve například po částečném povolení uzávěru, případně při uzavření láhve víčkem s patřičně velkým otvorem. Při práci s vodními hodinami je třeba počítat se zvýšeným nepořádkem a větší intenzitou pozornosti vyučujícího.