Začtěte se do poutavého prvního dílu ze seriálu historie chronometrů od Jirky Turoně. Slibujeme spoustu nových informací sepsaných pro Jirku typickou čtivou formou.

Nepřesná zemská rotace

V roce 2015 jsme měli jeden den (30. července) delší o jednu sekundu. Proč? Aktuální atomové hodiny měří čas prakticky absolutně přesně. Odchylka činí maximálně 1 sekundu za 300 000 let. Ale co je vůbec hlavní referenčním bodem k počítání času? Zemská rotace. Každých 24 hodin se Země otočí kolem své vlastní osy. V přepočtu na sekundy to je 86 400 sekund na kompletní rotaci. Ale s tím, jak jsme se naučili s naprostou přesností počítat sekundy, zjistili jsme, že Země až tak přesná není. Ve skutečnosti se čas, který Země potřebuje k tomu, aby se otočila kolem své vlastní osy může každý den lišit až o pár milisekund. Nepatrná odchylka, ano, ale i takové nepatrné odchylky v našem extrémně náročném a provázaném světě, můžou působit problémy. A tak se komise pro rotaci Země (ano skutečně taková existuje), rozhodla, že jakmile se rotace země odchýlí od atomového času o více než 0,9s, tak tuto odchylku zkorigují přidáním nebo ubráním sekundy. A přesně to se 30. července 2015 stalo. Měli jste v životě o sekundu času víc, než jste si mysleli. Nemáte zač.       

Jak jsme se ale jako civilizace naučili tak přesně počítat běh času, že už do něj musíme započítávat nepřesnosti v pohybu naší vlastní planety? Cesta od určování času za pomocí vbitého trámu do země po atomové hodiny v satelitech GPS byla dlouhá a zajímavá. A vzpomínka na GPS je na místě, protože právě navigace je ten primární důvod proč lidé měli a stále mají potřebu určovat stále přesnější čas. Právě pro potřebu navigace vznikl první „chronometr“. Už jste ten pojem někde slyšeli? Správně. Je to titul, kterým se dnes honosí nejedny hodinky. Ale cesta k němu byla dlouhá a spletitá. V tomto článku se na ni podíváme blíže a v příštím díle si řekneme něco o moderní podobě chronometrů a jak jsme vůbec dospěli k slavné zkratce COSC.

Od politických intrik 18. století k závodu o čas

Historie chronometrů začíná poměrně netradičně, a to 1. listopadu 1700, kdy v Madridu, v pouhých 30 letech, umírá dlouho nemocný španělský král Karel II. Ještě před svojí smrtí Karel II. už věděl, že na trůnu nezanechává žádného potomka a rozhodl se předejít případnému konfliktu tím, že jmenoval svého nástupce předem. Měl se jím stát Josef Bavorský, s čímž souhlasily i všechny tehdejší velmoci. Co ale asi nikdo nečekal, bylo to, že Ferdinand zemře ještě před Karlem II. No a jelikož v té době byl Karel II. už těžce nemocný, tak se Rakousko, Anglie a Nizozemsko dohodly na tom, že novým Španělským králem bude syn římského císaře, Karel. Francouzský král Ludvík XIV. měl ale vlastní plány. Pravděpodobně (skutečnost už nikdo nezjistí) podstrčil těžce nemocnému Karlu II. dokument, na kterém prohlašoval, že nástupcem na Španělském trůnu má být Filip z Anjou, vnuk Ludvíka XIV. Zápletka je připravena. Teď všichni čekali pouze na to, co se stane, když Karel II. skutečně zemře. Co se tedy po 1. listopadu 1700 stalo? Ludvík XIV. prohlašuje novým Španělským králem svého vnuka, Filipa z Anjou. Rakousko v tom vidí potenciál na obrovský malér, bojí se totiž, že vláda Francie a Španělska se spojí v jedněch rukou a Rakušané budou mít ten kolos hned za humny. Trvají tedy na nástupnictví syna římského císaře, Karla. Toto Francie neuzná a mezi oběma státy vypukne válka. Na stranu Rakouska se přidává Anglie a Nizozemsko, Francii podporuje Savojsko a Bavorsko. Do konfliktu se postupně zapojí skoro všechny státy tehdejší Evropy, válčí se na zemi, pod zemí i na vodě a počet mrtvých v konečném důsledku stoupá až na závratných 700 000. Vítěz? Nikdo. Válka zná jenom poražené. Ale přece jenom, něco dobrého z toho nakonec vyšlo. Začal čas přesných časoměřičů. Chronometrů.

Námořní navigace

Jak k tomu došlo? Komplikovaně. Abychom mohli skutečně pochopit význam chronometrů a dokázali tak náležitě ocenit naše dnešní malé stroje na zápěstích, musíme si nutně dát malou lekci novověké námořní navigace. Dnešní kapitáni zaoceánských lodí dovedou určit svoji pozici na širé vodní ploše naprosto přesně. Díky GPS. Ale zpátky v 18. století se věci dělaly trochu jinak. Abychom dokázali určit polohu tělesa na zemské kouli, potřebujeme znát její souřadnice. Konkrétně zeměpisnou šířku (určuje jak daleko se bod na zemi nachází na sever nebo jih od s rovníku) a délku (určuje jak daleko se bod nachází na východ nebo západ od Greenwichského poledníku). Pokud známe šířku i délku, známe naší přesnou polohu. Zeměpisná šířka šla už tehdy změřit poměrně přesně prakticky kdekoliv na oceánu jste se nacházeli. Používaly se k tomu různé nástroje, ale princip byl jednoduchý. Podle úhlu, ve kterém se nalézalo polední slunce k horizontu jste vypočítali, jak daleko se loď nachází od rovníku. Problém byl se zeměpisnou délkou. Ta se dala určit pouze odhadem. A to tak, že se pravidelně zaznamenával čas, rychlost a kurz lodi. Rychlost i kurz dokázal zkušený námořník s dostatečnou pečlivosti zaznamenávat přesně. Větší problém bylo určení času. Tehdejší námořní hodiny totiž jako setrvačku[1] používaly kyvadlo. A to bylo extrémně citlivé na podmínky, které panovaly na lodi a často docházelo ke skutečně velkým odchylkám mezi propočty a realitou.

Hodiny a neštěstí u Scilly

Přesně na to doplatilo britské námořnictvo ve válce o Španělské dědictví. Na podzim roku 1707 nařídil admirál Britského královského námořnictva, Sir Cloudesley Shovell, velící své flotile čítající 21 válečných lodí návrat do domovského přístavu v Anglickém Portsmouth. Sám flotile velel z paluby HMS Association, chlouby Královského námořnictva čítající 90 děl a hostící na 800 námořníků. Spolu s HMS Association bylo ve flotile dalších 14 řadových lodí, nejsilnějšího typu bojového plavidla až do poloviny 19. století. Nyní se ale museli stáhnout. Nepovedlo se jim dobýt Francouzský přístav Toulon a navíc je obloha už pár dnů zakrytá temnými mračny a pobřežní linie Francie je schovaná v mlze. Pluli tedy „naslepo“ podle pokynu námořního navigátora, který ale měl k dispozici pouze nepřesné mechanické hodiny. Podle jeho výpočtů měli být někde nad pobřežím Bretaňska. Pozdě večer 22. října spatřili námořníci HMS Association blížící se útesy. Nebyli v bezpečných vodách Lamanšského průlivu, ale mířili rovnou na útesy kolem souostroví Scilly! Jako první šla ke dnu, společně se svým admirálem, HMS Association, následovaná HMS Eagle, HMS Romney a HMS Firebrand. Ten den zemřelo 1550 mužů a neštěstí u souostroví Scilly nejenom významně ovlivnilo průběh války, ale rovněž se zapsalo jako jedno z nejhorších námořních neštěstí v historií Spojeného Království.

Mladý génius

Westminsterský palác neponechal situaci bez odezvy. V roce 1714 přijímá zákon geografické délky (v originále Longitude Act) s příslibem odměny £20,000 (podle mých propočtů je to dnešní ekvivalent cca 116 milionů Kč) komukoliv kdo dokáže určit na transkontinentální plavbě zeměpisnou délku s přesností do půl stupně. K této výzvě se mohlo přistoupit dvěma způsoby. První z nich bylo zdokonalení současných časoměřičů. A to pořádně. Aby nové hodinky mohly splnit své zadání, musely by být mnohem přesnější než tehdejší nejpřesnější hodinky na suché zemi. A to přitom musely pracovat v neustále se měnící pozici, teplotě, vlhku, tlaku, .. Isaac Newton prohlásil, že takové hodiny se jednoduše zkonstruovat nedají a sám začal pracovat na druhé možné variantě – snažil se vymyslet úplně nový systém navigace na otevřeném oceánu. Ne všichni ale byli stejného názoru jako slavný génius. Jeden z nich byl i mladý John Harrison. Toto jméno si dobře zapamatujte. Dirigent z povolání, nadšený amatérský hodinář. Když se tvořila komise, která měla za úkol dohlížet nad řádným průběhem soutěže a hodnotit výsledky různých pokusů, Harrison již dokončil svůj první významný počin v hodinářském umění. Jako první na světě zkonstruoval hodiny se samomazacími komponenty. Není se tedy čemu divit, že jakmile se Harrison dozvěděl o nabízené odměně, všeho nechal a jel do Londýna pokusit se vyřešit zdánlivě neřešitelný problém.

První úkol – sehnat finance. Naštěstí svým předchozím dílem už zaujal odbornou veřejnost a v Londýně se s ním souhlasil setkat slavný astronom Edmund Halley (ano, ten po němž je pojmenována Halleyova kometa). Halley byl natolik zaujat Harrisonovým konceptem námořních hodin, že se za něj přimluvil u svého velice bohatého přítele, který shodou okolnosti byl rovněž vlivným výrobcem a prodejcem hodin, Georgem Grahamem. Harrison mohl začít pracovat na svém prvním prototypu. A pracoval dlouho. Hodiny vyráběl ze dřeva a první funkční prototyp měl hotov až za dlouhých pět let. Nebyl ale prvním, kdo komisi představil speciální námořní hodiny pro potřeby navigace na oceánu. Prvním byl Anglický hodinář Henry Sully, jeho prototyp se ale ani z daleka nevešel do požadovaných limitů, a i když přinášel některé nové a zajímavé inovace, komisi nezaujal. Cesta k odměně zůstávala volná a roku 1730 se před komisí konečně objevuje Harrison se svým prvním prototypem nazvaným lakonicky H1. Harrison mění kyvadlo za sofistikovanější oscilátor, zdokonaluje krokové kolo, kolem samotného strojku buduje celý mechanický systém, který má minimalizovat vliv kolísání lodě a vydává se se svým výtvorem na plavbu Londýn – Lisabon – Londýn. Bohužel. Na cestě tam jsou jeho propočty na základě H1 zcela nepřesné, prototyp se zpožďuje. Zato návratová cesta je už o poznání veselejší. H1 si pochvaluje nejenom Harrison, ale i kapitán a navigátor na lodi. Výpočty za pomocí H1 jsou prakticky úplně přesné, zatímco konvenční způsob (za pomocí klasických hodin) je vedle o 60 námořních mil.

Tato zkouška sice nesplnila podmínky pro získání odměny (bylo potřeba vykonat dvě plavby, obě v rámci tolerance, a navíc komise měla pravomoc posoudit, zda hodiny splňují i další nároky pro použití v Britském námořnictvu), ale H1 zaujal komisi natolik, že udělili Harrisonovi grant ve výši £500 pro další výzkumy. Harrison začal pracovat na další verzi. Po pěti letech práci na svém druhém prototypu, titulovaným H2 ale zjistil zásadní chybu v konceptu oscilátoru, a aniž by H2 jakkoli prezentoval komisi jal se vytvářet prototyp H3. Bylo to u prototypu H3, kdy si Harrison uvědomil, že frekvence kmitu je u velkého oscilátoru příliš malá na to, aby dokázal podle ní po dlouhou dobu určovat přesný čas.  Začíná tedy celý mechanismus zmenšovat (menší oscilátor -> vyšší počet kmitů) a vzniká prototyp H4. Konečně, celých 31 let poté co se před komisí objevil s prvním prototypem, se Harrison cítí, že je připraven nárokovat si odměnu. Prototyp svěřil svému synovi a poslal ho s lodí HMS Deptford na cestu k Jamajce a zpět. H4 fungoval bezvadně, navigátor byl schopen určit polohu lodi po celý čas cesty s maximální odchylkou jedné nautické míle. Šťastný Harrison se vydal pro svoji odměnu za jeho celoživotní dílo. S jednou věcí ale nepočítal.

Některé věci se nikdy nemění

Korupce. Šéf komise, která dohlížela na průběh soutěže, Nevil Maskelyne, se ocitl ve vážném střetu zájmu. Sám byl z povolání astronomem a společně s Newtonem pracoval na alternativní metodě navigace, kdy by za pomocí matematických propočtů podle aktuální pozice hvězd na obloze dokázal určit polohu objektu na zemi. Asi nás tedy nepřekvapí postoj komise, která Harrisonovi vyčítala dlouhou dobu potřebnou ke konstrukci takového časoměřiče, úspěch během plavby k Jamajce a zpět prohlásila za náhodnou událost a odmítla mu vyplatit plnou odměnu. Místo toho Harrisonovi nabídli sumu £5000 jako rekompenzaci za jeho snažení. Naštvaný Harriston tuto částku odmítl a osobně se vydal na Barbados za Maskelynem. Ten mu nabídl přímý souboj jeho systému astronomické navigace s H4. Harrison souhlasí. Z Barbadosu vyplouvá HMS Tartar a na jeho palubě během cesty do Londýna nezávisle na sobě dva navigátoři odměřuji polohu lodi. Jeden k tomu používal klasickou metodu navigace za pomocí H4 a druhý se řídil matematickými propočty od Maskelyna. Oba si vedli naprosto výtečně a s minimální odchylkou (v jednotkách metrů). Harrison považoval situaci za vyřešenou. Maskelynův systém totiž vyžadoval přítomnost matematika na palubě, protože výpočty potřebné pro určení polohy byly pro průměrného námořníka příliš komplikované, zatímco klasickou metodu zvládali všichni navigátoři a H4 prokázala nejenom přesnost ale už i konsistenci. V tom se ale pletl. Podle verdiktu Maskelyneho a celé komise se matematický model ukázal jasně lepším a H4 „dosáhl výborných výsledku na základě série náhod, kdy se jednotlivé imperfekce vzájemně vyrušily a dosáhly tak přesného výsledku“. Jako třešničku na dortu Harrisonovi konfiskovali jeho H4 pro účely dalšího testování a vývoje. Harrison zuřil. S komisí se nadobro rozloučil, finalizoval svůj poslední prototyp, miniaturní H5, a ten prezentoval rovnou anglickému králi Jiřímu III. Král byl novým prototypem nadšen. H5 svojí velikostí moc nepřesahoval rozměry pozdějších kapesních hodinek a byl schopen s nevídanou přesnosti určovat čas i v těch nejhorších podmínkách na širém oceánu. Jiří III. přinutil komisi vyplatit Harrisonovi odměnu pod hrozbou osobního přezkumu jejich dřívějšího rozhodnutí. Komise se Královu požadavku podvolila, ale odměnu vyplatila pouze ve zmenšené výměře £8750. Harrisonovi v té době bylo už 80 let, a tak odměnu akceptoval, na další spory rezignoval, a vydal se na zasloužený důchod. Zemřel tři roky později, v roce 1776.

Epilog

Příběh o počátcích přesných hodinek je ve své podstatě příběhem smutným. Ukazuje, že spravedlnost, poctivost a skutečný talent ne vždy zvítězí nad chamtivostí a korupcí. Je to ale zároveň příběh o lidském nadšení, odhodlání a vůli zasvětit své vášní celý svůj život. Harrison nikdy nezískal odměnu, kterou se ještě jako mladík vydal získat. Jeho výtvory ale žijí a tikají dodnes. Po intervenci krále totiž komise nejenom vyplatila odměnu, ale oficiálně ukončila soutěž a titulovala jeho H4 prvním oficiálním chronometrem na světě. Chronometry prakticky ihned změnily tvář námořnictva, už pár let po Harrisonově smrti používal lehce modifikovaný H4 na svých objevitelských výpravách snad nejslavnější námořní dobrodruh historie, James Cook. Ale chronometry nezměnily pouze obraz námořnictva, chronometry změnily pohled světa na čas. Mohl začít nový závod. Závod o čas. Jeho výsledek vám dost možná tiká teď na ruce.

O dalším vývoji chronometrů, a to především v hodinářském světě a modernímu certifikátu COSC bude pojednávat druhý díl.

Autor: Jiří Turoň

Druhý díl seriálu: Certifikáty z observatoře až do příchodu Seika – seriál historie chronometrů

[1] „Pro mechanické hodinky je zdrojem energie spirálová pružina (pero). Energie pera je přenášena na setrvačku, která svým kmitáním (kyvadlo), pohání ručky hodinek. Děje se tak prostřednictvím spojení setrvačky s krokovým kolem, které při každém jednotlivém kmitu setrvačky umožní stoupacímu kolu posunutí o jeden zub, tj. převede energii v pohyb na sekundové (minutové, hodinové) kolo čímž se posunou ručky hodinek. Tento jev je všem všeobecně znám a projevuje jako tik (tikání) hodinek.“ Text převzat z: http://www.svycary.cz/setrvacka