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.