Čas (značka t) je jednou ze základních fyzikálních veličin soustavy SI, která se měří v sekundách (s) pomocí hodin. Čas označuje dobu, která uplyne mezi dvěma okamžiky. V jiném chápání je čas pojímán jako čtvrtý rozměr 3D prostoru, v teorii relativity součást časoprostoru.
Pojem „čas“ může také označovat časový údaj, určitý okamžik na časové ose, která má počátek ve zvoleném nulovém referenčním bodě. Událost trvající dobu t začala v čase t a skončila v čase t = t + t, kde hodnoty t a t označují dobu, která v okamžiku začátku a konce události uplynula od referenčního okamžiku t = 0 s. V běžné praxi například čas „jedna hodina“ může označovat nejen dobu trvání události, ale také okamžik, kdy hodinová ručička ukazuje „1“, tedy 1 h po půlnoci nebo 1 h po poledni – podle toho, co je tím referenčním okamžikem.
Pro lidský život má zásadní význam střídání dne a noci vlivem rotace Země. Proto se základem časového systému stal sluneční čas, který lze měřit slunečními hodinami. Z něj byly odvozeny jednotky času a z praktických důvodů jsou mu přizpůsobovány časové systémy jako je koordinovaný světový čas a časová pásma. Delší období měsíc a rok vycházejí z dalších astronomických cyklů, dle typu kalendáře z doby oběhu Země kolem Slunce a Měsíce kolem Země.
Definice náhled|upright=1.3|Ciferník pražského orloje 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 filozofů, 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 a odpovídá směru rozpínání vesmíru.
Čas se od starověku také měří, nejčastěji počítáním pravidelně se opakujících pohybů, například Slunce nebo kyvadla. Základní myšlenku tohoto měření využil Aristotelés k definici:
Ve fyzice Ve fyzice je obecný pojem času konkretizován do podoby exaktně definovaných fyzikálních veličin. V klasické fyzice je čas absolutní, nezávislý na místě a stavu objektu (částice, tělesa, či jen myšleného bodu prostoru), kterému je přiřazen. Plynutí se dá měřit hodinami a každý pozorovatel naměří stejný čas bez ohledu na vzájemný pohyb k místu měření. Tento koncept narušila konstatní rychlost světla a vyřešila speciální teorie relativity (1905) zrušením absolutního času s tím, že existuje jen relativní čas, který lze srovnávat s časem jiných pozorovatelů v závislosti na relativní rychlosti jejich pohybu. Každému objektu je nutno přiřadit vlastní běh času. Vzájemná nezávislost času a prostoru se ztrácí, jevy je nutné popisovat v časoprostoru.Pro objekt v klidu je posun na časoprostorové ose roven časovému intervalu kde je rychlost světla ve vakuu (odpovídá hodnotě sekund na metr) Z toho plyne i relativnost současnosti, tedy že stejné události mohou pro různé pozorovatele nastat v různém pořadí, kauzalní závislost dvou jevů je omezena rychlostí světla a kauzální budoucnost lze znázornit světelným kuželem. Obecná teorie relativity (1915) popisuje čas jako jeden z rozměrů zakřiveného časoprostoru a stanoví dilataci času (jeho zpomalení) i pro působení gravitace a zrychlení. V oboru kvantové fyziky studující mikroskopické částice nehraje čas a zejména šipka času prvotní roli, uvažují se hypotézy kvantování časoprostoru nebo úplné primární neexistence času, vynořujícího se jako sekundární emergentní jev ze vzájemných interakcí materiálních objektů, přičemž směřování jeho plynutí je důsledkem statistického chování složitějších systémů. Hypotéza se opírá zejména o termodynamiku, kde systém časově směřuje k termodynamické rovnováze s vyšší entropií.
Měření času a doby náhled|upright=0.7|Sypání písku v přesýpacích hodinách se někdy užívá k odměřování uplynulého času
Stejně jako všechna jiná měření je stanovování času založeno na srovnávání s jednotkou, v případě času s dobou opakovaného děje. Podmínkou měření je stanovení částí, jednotek jevů, rozdělení času na vhodné stupně, původně nutně podle přírodních jevů.
O měření času a doby se lidé pokoušejí již tisíciletí počítáním (pravidelných) pohybů, a to tradičně na více úrovních, zejména pak: pro delší intervaly – ode dne datování. Systém uspořádání těchto jevů se nazývá kalendář a jevy a jednotky bývají nazývány jako kalendářní. pro kratší intervaly – počítáním rychlejších pravidelných jevů na jevech menšího měřítka na hodinách – slunečních, objemových (vodních, přesýpacích) a kyvadlových. Tyto kratší jevy a jejich měření, tedy čas v užším významu, nemají zvláštní název. Obě tyto úrovně předvádí např. pražský staroměstský orloj s horním ciferníkem hodinovým a dolním kalendářovým, kde se delší jednotky času odvozují rovněž z pohybu kyvadla a ne z astronomických jevů.
K určování doby mohou být použity kromě hodin i různé nepřímé metody vhodné s ohledem na charakteristický děj, jehož dobu je potřeba určit, což umožňuje překonat i samotné schopnosti aktuálně nejpřesnějších hodin. Detekcemi interakcí fotonu s frekvencí v rentgenové části spektra, prolétajícího molekulou vodíku, s elektrony jejího obalu tak byl v r. 2020 určen vůbec nejkratší kdy naměřený časový úsek v historii, 247 zeptosekund, tj. 247 × 10−21 sekundy.
Měřením času a doby se zabývají hlavně vědci (jeden z hlavních úkolů fyziky a astronomie) a technici.
Datování a kalendář
Základ dělení času vznikl sledováním ročních období a roků, vývoje měsíce, dnů a částí dnů (noc, světlý den, rozbřesk (východ slunce, svítání), ráno, dopoledne, poledne, odpoledne, západ slunce (stmívání, soumrak), večer) sledováním astronomických jevů, zejména zdánlivého oběhu slunce a změny tvaru osvětlené viditelné části Měsíce. Už z 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 správného okamžiku pro polní práce.
Jednotky doby kvantifikují trvání dějů a intervalů mezi událostmi proto vycházely z dějů vyvolaných pravidelnými pohyby. Nejvýznamnějším takovým dějem je jistě stmívání a svítání, střídání světlého dne a noci a roční střídání částí roku. Dlouho sloužily jako standardy pohyb Slunce po obloze, fáze Měsíce a kmit kyvadla. Z nich se vyvinuly a postupně ustálily jednotky nakonec nyní již bez přímé vazby na astronomické jevy a naopak se občas upravují tak, aby se zmenšil rozdíl od astronomických jevů.
Hodiny
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 však málo přesné. Při pokusech s volným pádem měřil snad Galileo Galilei dobu 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 oscilátorem, např. křemenným (quartz crystal). Ten má vysokou přesnost, nízké výrobní náklady a snadno se propojuje s elektronickými obvody. Pro nejpřesnější měření času (doby trvání) i jako standard pro sekundu se užívají atomové hodiny, využívajících frekvence mikrovlnného záření při stavovém přechodu v 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 158 milionů let (2×10−16).Accuracy of the NPL caesium fountain clock further improved. PhysOrg, 19. únor 2014. Dostupné online (anglicky)
Jako ještě slibnější se jeví nové typy tzv. optických atomových hodin, tedy hodin založených na kvantových přechodech s energiemi odpovídajícími frekvencím spektrálního pásma viditelného či ultrafialového záření, u kterých proběhne za 1 sekundu o zhruba 4 až 6 řádů více oscilací a potenciálně tak umožňují řádově vyšší přesnosti než nejpřesnější hodiny cesiové. Mohou to být optické atomové hodiny založené na přechodu v iontu ytterbia 171Yb+The tick-tock of the optical clock. PhysOrg, 29. březen 2012. Dostupné online (anglicky), stroncia 88Sr+, vápníku 40Ca+, rtuti 199Hg+ či hliníku 27Al+.CCTF Strategy Document, květen 2016. Dostupné online (PDF) (anglicky)
Jinou slibnou metodou je využití přechodů v neutrálních atomech v optické mřížce, tedy zachycených v potenciálu stojaté elektromagnetické vlny ze dvou protichůdných laserových paprsků. Limitující fundamentální (neodstranitelná) kvantová nepřesnost tak může být zredukována zprůměrováním a zvýšena tak stabilita a přesnost.WOGAN, Tim. New atomic clock sets the record for stability. PhysicsWorld.com, 27. srpen 2013. Dostupné online (anglicky) Mohou to být hodiny využívající přechodu v atomech stroncia 87Sr, ytterbia 171Yb či rtuti 199Hg.Optical strontium clock to become much more accurate (popularizační článek k předchozí referenci). Phys.Org, 9. leden 2013. Dostupné online (anglicky)NIST ytterbium atomic clocks set record for stability. PhysOrg, 22. srpen 2013. Dostupné online (anglicky)The atomic clock with the world's best long-term accuracy is revealed after evaluation, PhysOrg, 26. srpen 2011 (anglicky) Rekordní relativní přesnost hodin tohoto typu, dosažená v r. 2018, je 2,5×10−19, tedy 1 sekunda za cca 120 miliard let.
Od r. 2011 je znám princip tzv. jaderných hodin, založených na přechodu mezi energetickými stavy jádra iontu thoria, který by umožňoval dosažení ještě řádově nižší nepřesnosti.Campbell C. J., Radnaev A. G., Kuzmich A., Dzuba V. A., Flambaum V. V., Derevianko A.: A Single-Ion Nuclear Clock for Metrology at the 19th Decimal Place. ArXiv:1110.2490v1, 11. října 2011 (anglicky)Bob Yirka: Research team shows nuclear clock could be 60 times more accurate than atomic clock. PhysOrg, 9. listopadu 2011 (anglicky) – popularizační článek k předchozí referenciBob Beale: Proposed nuclear clock may keep time with the Universe. PhysOrg, 8. března 2012 (anglicky) Jaderné hodiny mají i další výhody. Jsou ze své podstaty robustnější než atomové, protože jádro a jeho energetické přechody jsou méně citlivé k vnějšímu rušení než jsou přechody v orbitálních elektronech u atomových hodin. V r. 2024 již byly zkonstruovány všechny důležité technické prvky nutné pro plně funkční jaderné hodiny, které by principiálně mohly dosáhnout stability 10−20, tedy nepřesnosti pouhých 10 ms za celý předpokládaný věk vesmíru (14 mld let).
Během staletí od vynálezu hodin se tedy přesnost zlepšila o 19 desetinných řádů a nadále se zlepšuje. Měření doby a kmitočtu patří dnes k nejpřesnějším měřením vůbec.
Čas a doba jako veličiny Čas je společné označení pro několik fyzikálních pojmů – objektů a veličin, zejména pro: