Opravdu měří atomové hodiny čas tak přesně? A měří vůbec čas?

Občas se můžeme v médiích dočíst, že atomové hodiny měří čas úžasně přesně. Na druhé straně je celkem jasné, že nikdo vlastně neví, co to čas je. Jenže jak je možné měřit přesně, když vlastně nevíme, co měříme? To je podivné, ne?

Nedávno se mi dostal do rukou čtvrtletník České Akademie věd, ve kterém je na straně 19 článek s názvem Je čas pouhá nálepka? Hned v jeho prvním odstavci se píše:

"Nejpřesnější atomové hodiny na světě.... jsou tak spolehlivé, že kdyby se měly zpozdit či předejít o jedinou sekundu, potřebovaly by dvaapůlkrát delší dobu, než je stáří našeho vesmíru. Měří tedy s dech beroucí precizností - ale co vlastně měří?"

Celý život jsem o podobných prohlášeních dost pochyboval, protože jsem neměl vyřešenu následující otázku a nikde jsem také nenašel, že by někdo jiný tuto otázku vyřešil. Problém se dá formulovat následovně: Mějme dvoje hodiny, jedny třeba kapesní "pružinové" a druhé velké kyvadlové v místnosti, tedy stroje na měření času. Jak poznáme, které jdou přesněji? To je přece v principu možné jedině tehdy, když vím, co měřím, tedy co je to čas a porovnám běh času s během jedněch a pak druhých hodin. Kdybychom přece měli přesně změřit třeba cihlu, bylo by to možné jen v případě, že tu cihlu máme k dispozici, nebo přinejmenším alespoň víme, co je to cihla? :-) V případě času ale ani pořádně nevíme, co je to čas, a proto nemáme s čím porovnat chod hodin a nemůžeme zcela spolehlivě rozhodnout, které hodiny jsou přesnější a jestli jsou některé opravdu přesné.

Pro vyjasnění tedy nejdříve musíme zjistit, co je to čas. Při hledání odpovědi na tuto otázku, je užitečné si všimnout, že některé civilizace vůbec neměly potřebu čas měřit. Když takovou "civilizaci" analyzujeme, zjistíme, že nemá zemědělství, přesněji nemá zemědělství závislé na střídání ročních období, ani nepotřebovala slaďovat práci velkých pracovních skupin, neboť to byl třeba malý izolovaný kmen, a nevedly ani delší a organizovanější války ani nestavěly "pyramidy", jak se můžete dočíst v blogu Co formovalo "mimozemský" amazonský jazyk Pirahá bez číslovek, barev a času. Očividně jsou lidé k měření času nuceni nějakými dlouhodobými nebo složitějšími úkoly. Naše civilizace povstala ze zemědělství a je založena na sladěné práci mnoha lidí, proto jsme pojem času potřebovali a čas měřili už dávno. Mimochodem, z toho lze odvodit výrazné vodítko, co je to čas. Je to právě onen (alespoň lokálně) stejný rytmus, stejný pohyb mnoha lidí, činností, pohybů. Otázka po čase tedy bude otázkou "Co dává onen společný rytmus uvnitř zvoleného systému?" Myšlenky vedoucí k odhalení toho, co je to čas, můžete najít textu Kde neexistuje čas a teplota, jak to spolu souvisí a proč tomu skoro nikdo nerozumí a v textu Potřebujeme čas? A existuje vůbec?.

Prozkoumejme stručně a názorně snahy vědců o zpřesňování měření času, neboť toto zpřesňování je vlastně cestou blíže k času: Původně se k měření času, používal (pravý) sluneční čas, který je dán pohybem Slunce po obloze. U něj je den, tedy "24" hodin, určen jako časový rozdíl mezi dvěma poledni, tedy okamžiky, kdy je Slunce nejvýše na obloze, což bylo měřeno slunečního hodinami. Sluneční hodiny měří sluneční čas "zcela" přesně, neboť sluneční čas je definován jako to, co měří sluneční hodiny. Problém je ale spíše v tom, je-li sluneční "čas" skutečně čas. Spíše jde jen o zdánlivý pohyb Slunce kolem Země než o čas samotný. (A také přesnost jeho měření není absolutní, neboť "ručička" slunečních hodin nemůže mít nulovou tloušťku, protože pak by nevrhala žádný stín, atd.).

Velice záhy totiž lidé zjistili, že tento pohyb Slunce po obloze není pravidelný. Opět se nám tady vrací otázka, jak to vůbec mohli zjistit? Jedině tak, že sluneční "čas", tedy pohyb slunce po obloze, srovnali s jinými pohyby. Ale opět, při nesouladu dvou pohybů, jak mohli rozhodnout, který pohyb je "lepší", pravidelnější, když není k dispozici ideální vzor rovnoměrnosti, čas samotný?

Třeba při hledání času pomůže úvaha v Poincarově stylu, že kdyby byl sluneční "čas" skutečný čas, nebylo by vůbec možné pozorovat jeho nepravidelnost, protože by se všechny ostatní pohyby zrychlovaly či zpomalovaly podle něj. Bylo by možné pozorovat jen různou nepravidelnost různých pohybů, ale jejich nepravidelnost jejich základu ("průměru"), tedy času samotného, nikoliv. Představme si totiž, že by se najednou zpomalil čas (lokálně) třeba 2x, tedy naprosto stejně 2x by se zpomalily všechny pohyby, včetně chodů všech hodin. Pak bychom nepozorovali vůbec žádné změny. Změny běhu času tedy nejsou (lokálně) pozorovatelné. Což hodně napovídá, co je to čas. Je to očividně pohyb, který je ve struktuře všech námi pozorovaných pohybů, a všechny tyto pohyby jsou taky z něj vystavěny. Jinak totiž nelze vysvětlit výše popsanou "poslušnost" všech pohybů vůči jejich "pánovi", času. A v tom případě není ani pochyb, že čas je fyzikální pohyb, který musíme hledat někde na úrovni pohybu elementárních částic nebo dokonce níže. Čas bychom zřejmě rozeznali tak, že kdybychom tento fyzický pohyb (lokálně) zrychlili či zpomalili, stejnou měrou by se zrychlily či zpomalily všechny pohyby.

Podezřele neustále vsunujeme do vět uvozovky se slovem lokálně, tedy na jednom místě. Je to proto, že obecná teorie relativity nám říká, že neexistuje nic jako jeden společný čas pro celý vesmír, dokonce neexistuje ani zcela přesný společný čas pro celou Zemi. Stačí vystoupat na nějakou vysokou horu a běh našeho času se zrychlí. V běžném životě to nemůžeme poznat, neboť jsou rozdíly nepatrné, ale tyto rozdíly jsou významné třeba u GPSky. Na jejích družicích běží čas o něco rychleji, takže při příjmu GPS signálu se provádějí korekce na různou rychlost času na povrchu Země, jinak by GPS ukazovala už za 24 hodin o několik kilometrů vedle. Tedy i kdyby atomové hodiny měřily čas dokonale, otázka by byla, který čas měří. Určitě ne čas třeba na horizontu černé díry, kde čas (z našeho hlediska) stojí. Nicméně změny rychlosti času v různě silném gravitačním poli jasně naznačují, že čas je zřejmě jakýsi pohyb čehosi ve struktuře gravitačního pole. Budeme-li měřit něco jiného, třeba jakýkoliv pohyb nebeských těles nebo nějaké pohyby způsobené atomy, měříme čas pouze nepřímo, nemůžeme dosáhnout dokonalé přesnosti a zejména jistoty, že měříme přesně, že měříme čas.

Zpět ale k zpřesňování měření času odstraňováním nepravidelností mechanických pohybů těles. Jestliže tedy nějaké změny, nějaké nepravidelnosti odstraňujeme, měli bychom odstraňovat jen změny rychlostí pohybů (třeba změny rychlosti pohybu Slunce po obloze) vůči času. Ale protože ještě dnes, zdá se, nevíme, co je to čas (nespolehneme-li se na úvahu v odstavci výše), nemůžeme rozhodnout, co je nepravidelnost pohybu vůči času, a tedy můžeme změřit pouze a jedině nepravidelnost jednoho pohybu vůči pohybu jinému. Čas přímo tedy není vůbec ve hře, jen ho zastupuje, zprostředkovává nějaký (zjevný) pohyb, který se mu nedokonale blíží. Porovnáváme jen rychlost a rovnoměrnost jednoho pohybu vůči pohybu jinému, a protože vidět můžeme pouze patrné pohyby, které proto mohou sloužit jako hodiny, porovnáváme vždy a pouze jen chod dvou či více (typů) hodin. A tak tomu bude vždy, až do chvíle, kdy zjistíme, co je to čas a budeme tak moci nějaké hodiny spojit přímo s během času, a sestrojit tak vlastní hodiny

Po tomto vyjasnění, že zatím vždy porovnáváme běhy dvou různých pohybů, můžeme analyzovat vhodnost slunečního "času". Zjistíme, že je nerovnoměrný, když třeba porovnáme dny v různém ročním období. Nepravidelnost délky slunečního dne je dána (také) tím, že Země neobíhá Slunce po kružnici, ale po elipse. Tuto nerovnoměrnost jsme ale zjistili pouze tak, že jsme sluneční "čas" porovnávali s jiným pohybem, tedy den měřili jinými hodinami, třeba kyvadlovými, na něž uvedená nepravidelnost nepůsobí (gravitační pole Země je na jednom místě poměrně stálé). Vlastním subjektivním odhadem času, tedy bez hodin, bychom těžko byli schopni tuto nepravidelnost odhalit. Je vhodné si všimnout, že zpřesnění měření času můžeme dosáhnout rozumovou analýzou, která odhalí nepravidelnosti pomocí fyzikálního pochopení. V tomto případě je tvar elipsy tvarem nepravidelným, což způsobuje nepravidelnost v rychlosti oběhu Země kolem Slunce, což je jedna z příčin nepravidelností slunečního "času".

Nepravidelný sluneční "čas" byl tedy nahrazen středním slunečním "časem", který délku dnů průměruje. Uvědomme si přesně, co se tím stalo. U pravého slunečního času jsme posuzovali jen jeden (zdánlivý) pohyb, a to pohyb Slunce vůči pozorovateli na Zemi, zaměřili jsme se jen na jeden pohyb. Ale v případě přesnějšího, tedy středního slunečního času, jsme vlastně posuzovali několik pohybů, a to rotaci Země (den) a oběh Země kolem Slunce. Uvažovali jsme vlastně z fiktivního pohledu pozorovatele, který se dívá někde z vesmíru na Slunce a oběh Země vůči němu. Tím jsme pozorovaný systém zvětšili ve srovnání s původní představou pozorovatele na Zemi, který "vidí" jen jediný opakující se (zdánlivý) pohyb tělesa zvaného Slunce kolem sebe. Vypadá to, že čím více pohybů a jejich vzájemného ovlivňování zohledníme, čím větší systém pohybů zahrneme, tím přesnější máme "hodiny", tím přesnějšího měření času dosáhneme. Když jsme výše mluvili o jakémsi "průměru", je to v případě středního slunečního času dokonce skutečný průměr.

Tato úvaha o zahrnutí většího systému, více pohybů se potvrzuje v dalším kroku zpřesňování měření času, kdy byl sluneční čas nahrazen časem efemeridovým. (Efemeridy jsou údaje o poloze pohyblivých astronomických objektů na obloze, tedy o poloze Slunce, Měsíce, planet atd.) K tomuto kroku vedlo zjištění, že ani střední sluneční čas není zcela stálý, neboť rotace Země je rušivě krátkodobě ovlivňována třeba Měsícem a tím je nepravidelná, a rotace Země se také dlouhodobě zpomaluje. Třeba první dinosauři měli den o hodinu kratší než ti poslední. Nepravidelnost je dána také tím, že se poloha Slunce poněkud mění, a to gravitačním vlivem planet. K přesnějšímu měření času se tedy použily pohyby všech (pro rotaci Země) gravitačně významných objektů ve Sluneční soustavě, tedy Slunce, planet a Měsíce. Zde je velmi jasná idea, že čas není pohyb jakéhokoliv konkrétního tělesa, ale skrývá se někde "za nimi". My tuto myšlenku můžeme zobecnit na tvrzení, že čas není žádný z pozorovatelných (druhů) pohybů, ale je to skrytý pohyb. A kdyby někdo ještě pochyboval o tom, že čas je nějaký fyzický pohyb, pak mu pomůžeme úvaha, že každé přímé měření je tautologie v tom smyslu, že stejné měříme stejným. Třeba délku lze (přímo) měřit jen jinou délkou, metr přiložíme k objektu, a tak pohyby je možné přímo měřit jen jiným pohybem, a proto to, co měří rychlost pohybů, tedy čas, musí být taky pohybem.

Zpochybnění přesnosti měření času způsobí úvaha, jestli výše vyjmenované objekty zahrnují všechny gravitační vlivy ve Sluneční soustavě. Pochopitelně nezahrnují, protože existuje mnoho měsíců jiných planet a také mezi Marsem a Jupiterem se nalézá pásmo asteroidů atd. A proto také zdokonalený efemeridový "čas" zohledňuje vliv 343 asteroidů, které reprezentují 90% hmotnosti hlavního pásu asteroidů. Jenže to otevírá otázku, jak významný je vliv dalších těles Sluneční soustavy, které nejsou zohledněny. A dále, co vliv celé Mléčné dráhy, ten je možné ignorovat? V důsledku bychom došli přes místní kupu galaxií, filamenty, temnou hmoty či temnou energii k tomu, že musíme zahrnout vliv celého vesmíru (nejméně).

To jsme navíc uvažovali jen newtonovsky. Musíme zahrnout i to, že se tělesa nechovají přesně tak, jak si představoval Newton, a zohlednit korekce teorie relativity, což vyspělé verze efemeridového času dělají.

Posledním krokem v tomto boji o zpřesnění bylo opustit měření času založené na pohybu vesmírných makrotěles a místo nich použít k měření kmity fotonů emitované atomy. To je ale směr, který jsme předpovídali úvahou o hledání času v hluboké struktuře. Na tomto kmitání je založeno něco, co se dá nazvat atomovým "časem". Ale stejně jako nebyla rotace Země pohybem zcela izolovaným vůči okolním rušivým vlivům, není úplně bez rušivých vlivů i měření atomového "času", které je dokonce základem výchozí jednotky času, sekundy. To je "doba trvání 9 192 631 770 period záření, které odpovídá přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu Cesia133". Jenže podmínkou vytoužené naprosté izolovanosti tu je teplota absolutní nuly, které nelze dosáhnout. Proto se používají atomy Cesia při teplotě několika milióntin stupně nad absolutní nulou, a následně se provádějí korekce na absolutní nulu. Korekce jsou ale matematický výpočet a ne přímé empirické měření, takže jim opět nelze absolutně věřit, pokud máme za to, že je fyzika stále empirickou vědou. :-)

A i v případě atomového "času" se "průměruje", neboť ideální mezinárodní atomový "čas" se vypočítává z údajů 200 atomových hodin na různých místech a provádějí se i relativistické korekce na výšku polohy jednotlivých hodin, neboť různá výška způsobuje různé relativistické zpomalení času v gravitačním poli (jak již zmíněno výše). Výsledek přepočtu je údaj o čase na střední hladině moře. Z toho je ale patrné, že není měřen čas jako takový (ideálně by se nabízel čas v nulovém gravitačním poli), ale čas gravitačně zpomalený na Zemi. Nehledě na to, že se měří kmity fotonů vyzářených atomy, a ne přímo čas samotný.

Měření atomovými hodinami samozřejmě svou úžasnou přesností plně vyhovuje i všem vědeckým účelům, nicméně o absolutní přesnosti není možné mluvit ani omylem, neboť jde o měření pohybů určitým pohybem, který není přímo časem. Tedy ani odhady přesnosti atomového "času" nejsou až tak spolehlivé. Navíc se čas měří pouze lokálně na Zemi, nejde o žádný vesmírný čas a unifikovaný čas jako takový, jednotný v celém vesmíru dokonce vůbec neexistuje.