Йоахим Улрих е президент на Физико-техническата федерална служба в Брауншвайг. Тук тиктакат часовници, които са едни от най-точните в света. В интервю физикът обяснява как функционират те, какво представлява световното време и защо е добре да се определя секундата с точност до шестнадесет знака след десетичната запетая.
тенденции в автоматизацията: Професор Улрих, Физико-техническата федерална служба е известна със своите точни часовници и в този смисъл е авторитет по отношение на времето. Но какво всъщност е времето?
проф. д-р Йоахим Х. Улрих: Това е един многопластов въпрос. Ние, физиците улесняваме нещата и определяме времето като предсказуеми, повтарящи се процеси, например въртенето на Земята или махалото. Това прагматично определение е дадено още от носителя на Нобелова награда и куратор на ФТФС Алберт Айнщайн. Според това определение времето е това, което се отчита от часовника. От времето на Айнщайн обаче знаем, че времето е относително, например че то тече по-бавно, когато сме в движение или ако се намираме в гравитационно поле. Възприемането на времето от хората също е относително. Отново свободно по Айнщайн: две минути в компанията на хубаво момиче изглеждат много кратки, докато две минути върху горещ котлон могат да ни се сторят безкрайно дълги.
Освен това има много въпроси без отговор, като например дали времето има начало или край и колко време всъщност продължава настоящето в човешкото възприятие. Биологичният часовник и културните особености при боравенето с времето също са изключително интересни и актуални теми в науката.
тенденции в автоматизацията: Как може да се измерва времето?
Улрих: С махало, например. Колкото по-късо е махалото, толкова по-бързо трепти и толкова по-точно може да измерва времето. Още по-прецизни са кварцовите часовници, при които един кристал се привежда до трептене с електрическо напрежение. Той се трепти над 30 000 пъти в секунда. Най-точните часовници в момента са атомните, макар че самите атоми в тях не трептят. Вместо това използваме електромагнитно лъчение, и по-точно микровълни. Те трептят дори много по-бързо от кварцов кристал - около девет милиарда пъти в секунда. Използваме микровълново лъчение, за да възбудим електрони от цезиеви атоми. И тъй като това функционира само, ако лъчението притежава точно определена честота на трептене, можем да го използваме, за да определим стойността на една секунда и също така да я определим много точно.
Разбира се, трябва постоянно да проверяваме дали задаваме правилния такт и дали наистина стимулираме електроните. За целта първо изпращаме цезиевите атоми в хоризонтален лъч през магнитни и микровълнови полета и след това с помощта на умело позициониран детектор отчитаме само атоми с възбудени електрони. В нашите два най-точни часовника ние имаме друга схема и изстрелваме цезиевите атоми вертикално нагоре като фонтан през микровълновото поле. След това, докато падат, те преминават през полето за втори път. С тези атомни часовници можем да определим секундата с точност до 16 знака след десетичната запетая.
тенденции в автоматизацията: Ръчните часовници или гаровите часовници със сигурност не трябва да са чак толкова точни. За какво е необходима високата прецизност?
Улрих: Неточността се натрупва и то сравнително бързо. Ето защо можем да гарантираме висока точност в дългосрочен план само с много точни часовници. Освен това точното измерване на времето играе важна роля, особено за научни теми. Една от темите с акцент в PTB е например въпросът дали природните константи като така наречената константа на фината структура, която м. др. включва скоростта на светлината и кванта на действие на Планк, са наистина постоянни. Има индикации, че това не е така. Ако подозренията се потвърдят, това ще има обширни последствия, тъй като много закони и модели се основават на природни константи. Между другото, още през 30-те години на миналия век, когато секундата все още се е определяла като част от въртенето на Земята, изследователите на времето са разбрали, че точните измервания могат да провалят много предположения, които са били смятани за сигурни. По това време тук в PTB са пуснати в действие най-точните кварцови часовници за времето си. Изследователите установиха, че Земята се върти все по-бавно и по-специално неравномерно, а не винаги с една и съща скорост, както се приемаше за определение за време по онова време.
тенденции в автоматизацията: Имат ли атомните часовници и практически приложения?
Улрих: Атомни часовници тиктакат например в спътниците за позициониране на американската GPS система или руската ГЛОНАСС, както и в първите спътници на европейската Галилео. Тези системи определят местоположението посредством времената за придвижване на сигнала между спътника и Земята и поради това се нуждаят от много точни данни за времето. В близко бъдеще геодезистите искат да измерват и вселената с помощта на часовници. По този начин относителното положение може да бъде измерено с висока точност от два спътника и от техните промени да бъде изведено гравитационното поле на Земята, като по този начин то се картографира изцяло. С подобни измервания на Земята и още по-точни часовници в бъдеще ще могат да бъдат намирани дори различни разпределения на маси и по този начин да бъдат откривани полезни изкопаеми. Понастоящем работим по такива теми заедно с много изследователи от клъстера за високи постижения QUEST в Leibniz Universität Hannover.
тенденции в автоматизацията: Дали часовниците на спътниците имат същите комплексни надстройки като атомните часовници в PTB?
Улрих: Те работят на същия принцип, но със сигурност са малко по-компактни и не е необходимо да бъдат толкова прецизни. Поради досегашното предаване на сигнали така или иначе възникват малки отклонения. В днешно време можете лесно да закупите атомни часовници за много цели. Те струват между няколкостотин евро и ок. 100 000 евро за приложения на Земята – за спътникови приложения те са значително по-скъпи – и обикновено работят без сервизна поддръжка в продължение на много години благодарение на усъвършенстваната технология.
тенденции в автоматизацията: Казвате, че технологията се счита за усъвършенствана. Може ли един атомен часовник, като този на PTB, все пак да излезе от строя?
Улрих: Принципно това разбира се е възможно, но имаме резерви. Само в PTB тиктакат четири първични атомни часовника като наш принос към световното време. А за да се осигури например времето за радиочасовниците, което се изпраща посредством предавател на дълги вълни в Майнфлинген край Франкфурт, на място има още три атомни часовника, които редовно се синхронизират с часовниците на PTB.
тенденции в автоматизацията: Как се гарантира, че часовниците ще работят правилно по целия свят?
Улрих: Както току-що споменах, съществува т.нар. световно време, което се прилага в 24 часови зони и се определя от около 400 атомни часовника по целия свят. Часовниците се сравняват помежду си и се изчислява средна стойност. По-малко точните часовници имат по-малко тегло от по-точните часовници. Накрая се проверява дали тази стойност съответства на най-добрите часовници в света, сред които са и нашите атомни часовници в PTB. Определените по този начин стойности се публикуват като световно време от Международното бюро за мерки и теглилки BIPM, което от 1875 г. насам се намира в Севър, близо до Париж, Франция. Понастоящем това се извършва веднъж месечно. Също така е важно, всички атомни часовници да бъдат отнесени към една надморска височина, тъй като според Айнщайн времето зависи и от гравитационното поле.
тенденции в автоматизацията: Докога ще бъде валидно още настоящото определение за време?
Улрих: Със сигурност ще минат още няколко години, но вече се задава следващото поколение часовници. Тези т.нар. оптични часовници вероятно ще бъдат поне сто пъти по-точни от най-добрите атомни часовници днес. Те ще функционират на сходен принцип. Във всеки случай лъчението, с което възбуждаме електроните тук, е със 100 000 пъти по-висока честота на трептене и се намира във видимия диапазон. Поради това вместо с микровълново лъчение оптичните часовници работят със светлина от високопрецизни лазери.
В PTB вече разполагаме с два различни оптични часовника, като и двата са около десет пъти по-точни от нашите атомни часовници. През следващите няколко години обаче ще трябва първо да сравним различни оптични часовници по света и да наблюдаваме дали всички те тиктакат по един и същи начин и с каква степен на несигурност. Ще мине поне още толкова време, преди определението за секунда да бъде адаптирано към новите технически възможности.
тенденции в автоматизацията: Каква роля играе сътрудничеството с международни партньори при такива нови разработки?
Улрих: От подписването на Конвенцията за мерки и теглилки през 1875 г. насам ние метролозите работим в много тясно и конструктивно сътрудничество в международен план, считам за много приятно. Но разбира се има и конкуренция. В края на краищата всеки иска да има най-добрия часовник. По отношение на това сме доста успешни. Нашите атомни часовници с фонтан се считат за едни от най-точните в света. В областта на оптичните часовници в момента сме в приятелска надпревара с нашия партньорски институт – Националния институт по стандартизация и технологии, накратко NIST, в САЩ.
тенденции в автоматизацията: Вие се занимавате професионално много интензивно с тази тема. Влияе ли това и на личното ви отношение към времето?
Улрих: За мен времето е изключително ценна стока. Ето защо се опитвам да го използвам оптимално. Например, работя по различни задачи, които изискват интензивна концентрация, ако е възможно в пакет, и не обичам да ме прекъсват, защото работата става изключително неефективна, ако непрекъснато трябва да се започва отначало. Ето защо по време на такива работни фази, обикновено рано сутрин или през уикенда, се чувствам относително независим от мобилните телефони и интернет.
Най-трудно е да се съгласува професионалното време с времето за семейството. Вероятно това се дължи донякъде и на факта, че много се наслаждавам на работата си и често изобщо не я усещам като работа. Тогава понякога забравям за времето.
От 2012 г. Йоахим Улрих е президент на Физико-техническия институт в Брауншвайг, националния институт по метрология на Германия. Преди това е бил директор на Института по ядрена физика "Макс Планк" в Хайделберг, където ръководи отдела "Експериментална квантова динамика на много частици". Той е международно признат не само като президент на PTB, но и като експерт в областта на квантовата физика и лазерните експерименти със свободни електрони, например в DESY в Хамбург или в Националната лаборатория за ускорители SLAC в Станфорд, САЩ. За работата си той е получил няколко награди, включително поощрителната награда Готфрид Вилхелм Лайбниц на Германската фондация за научни изследвания и наградата за научни изследвания на Филип Морис.