Joachim Ullrich je prezidentem instituce Physikalisch-Technische Bundesanstalt v Braunschweigu. Zde tikají hodiny, které patří mezi nejpřesnější hodiny na světě. V rozhovoru fyzik vysvětluje, jak hodiny pracují, proč je univerzální čas důležitý a proč je dobré určit jednu sekundu s přesností až šestnáct míst za desetinnou čárkou.
trends in automation: pane profesore Ullrichu, Fyzikálně-technický spolkový úřad je známý svými přesnými hodinami a je tedy autoritou ve věci času. Ale co je vlastně čas?
Prof. Dr. Joachim H. Ullrich: to je velmi složitá otázka. My fyzici si to usnadňujeme a definujeme čas pomocí předvídatelných, opakujících se procesů, například rotace Země nebo kyvadla. Tuto velmi pragmatickou definici již přednesl laureát Nobelovy ceny a kurátor Fyzikálně-technického spolkového úřadu Albert Einstein. Pak je čas to, co čtete na hodinách. Od Einsteina však také víme, že čas je relativní, například že plyne pomaleji, když jsme v pohybu nebo v gravitačním poli. Lidské vnímání času je také relativní. Opět volně podle Einsteina: dvě minuty ve společnosti milé dívky se zdají být velmi krátké, kdežto dvě minuty na horkém sporáku se mohou zdát nekonečně dlouhé.
Kromě toho existuje mnoho otevřených otázek, například zda má čas začátek nebo konec a jak dlouho přítomnost ve skutečnosti trvá v lidském vnímání. Mimořádně zajímavými aktuálními tématy vědy jsou také biologické hodiny a kulturní zvláštnosti při práci s časem.
trendy v automatizaci: jak lze čas měřit?
Ullrich: například s kyvadlem. Čím je kyvadlo kratší, tím rychleji se kýve a tím přesněji dokáže měřit čas. Křemíkové hodinky, ve kterých je krystal vyroben tak, aby pod elektrickým napětím vibroval, jsou ještě přesnější. Osciluje více než 30 000krát za sekundu. Nejpřesnějšími hodinami jsou v tuto chvíli atomové hodiny, i když samotné atomy v nich nevibrují. Místo toho používáme elektromagnetické záření, přesněji řečeno mikrovlny. Vibrují mnohem rychleji než křemíkový krystal, konkrétně přibližně devět miliardkrát za sekundu. Mikrovlnným zářením excitujeme elektrony z atomů cesia. A protože to probíhá pouze v případě, má-li záření zcela určitou frekvenci oscilací, můžeme přesně definovat délku sekundy a také ji velmi přesně určovat.
Samozřejmě musíme neustále kontrolovat, zda máme správný takt a zda se elektrony opravdu excitují. Proto atomy cesia nejprve posíláme v horizontálním paprsku magnetickým a mikrovlnným polem a poté pomocí chytře umístěného detektoru počítáme pouze atomy s excitovanými elektrony. V našich dvou nejpřesnějších hodinách máme jiné uspořádání a střílíme atomy cesia jako ve fontáně svisle nahoru přes mikrovlnné pole. Poté procházejí polem podruhé, když spadnou. Těmito atomovými hodinami můžeme přesně určit sekundu až na 16 míst za desetinnou čárkou.
trends in automation: náramkové hodinky nebo nádražní hodiny rozhodně nemusejí být tak přesné. K čemu potřebujeme vysokou přesnost?
Ullrich: nepřesnost se načítá - a relativně rychle. Proto můžeme dlouhodobě zaručit vysokou přesnost pouze u velmi přesných hodinek. Přesné měření času je důležité hlavně pro vědecká témata. Jedním z našich hlavních témat ve Fyzikálně-technickém spolkovém úřadu je například otázka, zda jsou přírodní konstanty, jako je takzvaná konstanta jemné struktury, která zahrnuje rychlost světla a Planckovu kvantovou hypotézu, skutečně konstantní. Existují určité důkazy, že tomu tak není. Pokud se podezření potvrdí, mělo by to dalekosáhlé důsledky, protože mnoho zákonů a modelů z přírodních konstant vychází. Již ve třicátých letech minulého století, kdy sekunda byla definována jako zlomek zemské rotace, se časoví vědci naučili, že přesná měření mohou torpédovat některé předpoklady, o nichž se věřilo, že jsou jisté. V té době byly zde na Fyzikálně-technickém spolkovém úřadu uvedeny do provozu tehdy nejpřesnější křemíkové hodiny. Vědci zjistili, že Země se otáčí stále pomaleji a zejména nepravidelně - ne tak, jak se předpokládalo pro tehdejší definici času, tedy ne vždy stejnou rychlostí.
trends in automation: existuje nějaké praktické využití pro atomové hodiny?
Ullrich: atomové hodiny tikají například na lokalizačních satelitech pro americký systém GPS nebo ruský GLONASS a také pro první satelity evropského systému Galileo. Tyto systémy určují polohy pomocí časů šíření signálu mezi satelitem a Zemí, a proto potřebují velmi přesné časové informace. Geodeti budou brzy také chtít měřit pomocí hodin ve vesmíru. S vysokou přesností lze měřit relativní polohu dvou satelitů a z její změny vyvodit závěry o gravitačním poli Země a tak ji kompletně zmapovat. S podobnými měřeními na Zemi a ještě přesnějšími hodinami bude možné v budoucnu dokonce detekovat různá rozložení hmoty, a tak bude možné vystopovat nerostné zdroje. V současné době pracujeme na těchto tématech společně s mnoha výzkumnými pracovníky v klastru QUEST excellence na Leibniz Universität Hannover.
trendy v automatizaci: mají hodiny na satelitech stejné složité struktury jako atomové hodiny ve Fyzikálně-technickém spolkovém úřadu?
Ullrich: pracují na stejném principu, ale jsou určitě o něco kompaktnější a nemusejí být tak přesné. Dosavadní přenos signálu stejně způsobuje malé odchylky. V dnešní době si můžete snadno koupit atomové hodiny k mnoha účelům. Náklady na ně pro pozemní aplikace se pohybují od několika stovek EUR do 100 000 EUR - pro satelitní aplikace jsou podstatně dražší - a díky propracované technologii obvykle po mnoho let fungují bez údržby.
trends in automation: říkáte, že ta technologie se považuje za vyspělou. Mohou atomové hodiny, jako ty zde ve Fyzikálně-technickém spolkovém úřadu, přesto selhat?
Ullrich: v zásadě je to samozřejmě možné, ale máme rezervy. Jen ve Fyzikálně-technickém spolkovém úřadu tikají čtyři primární atomové hodiny jako náš příspěvek k světovému času. A aby byl zajištěn čas například pro rádiové hodiny, které jsou vysílány pomocí dlouhovlnného vysílače v Mainflingenu poblíž Frankfurtu, jsou na místě další troje atomové hodiny, které jsou pravidelně srovnávány s hodinami Fyzikálně-technického spolkového úřadu.
trends in automation: jak zajistíte, aby hodiny běžely správně kdekoliv na světě?
Ullrich: existuje, jak již bylo zmíněno, takzvaný světový čas, který platí pro 24 časová pásma a je určován přibližně 400 atomovými hodinami po celém světě. Hodiny jsou navzájem porovnávány a z hodnot je vytvářen průměr. Méně přesné hodiny jsou započítány s menší váhou než přesnější hodiny. Nakonec se zkontroluje, zda tato hodnota odpovídá nejlepším hodinám na světě, což jsou také naše atomové hodiny ve Fyzikálně-technickém spolkovém úřadu. Jako světový čas zveřejňuje takto určené hodnoty mezinárodní kancelář Meter Convention, BIPM, která sídlí v Sèvres u Paříže ve Francii od roku 1875. To se v současné době děje jednou za měsíc. Je také důležité, aby všechny atomové hodiny byly spojeny s nadmořskou výškou, protože čas také podle Einsteina závisí na gravitačním poli.
trends in automation: jak dlouho bude pravděpodobně platná definice aktuálního času?
Ullrich: určitě ještě několik let, ale další generace hodin je již v dohledu. Tyto takzvané optické hodiny budou pravděpodobně nejméně stokrát přesnější než nejlepší atomové hodiny současnosti. Pracují na podobném principu. Záření, s nímž zde excitujeme elektrony, má však oscilační frekvenci, která je 100 000krát vyšší a je ve viditelném rozsahu. Namísto použití mikrovlnného záření proto optické hodiny běží se světlem z vysoce přesných laserů.
Ve Fyzikálně-technickém spolkovém úřadu již máme dvoje různé optické hodiny, které jsou zhruba desetkrát přesnější než naše atomové hodiny. V příštích několika letech však nejprve budeme muset porovnat různé optické hodiny po celém světě a vysledovat, zda a s jakou nepřesností všechny jdou. Alespoň tak dlouho bude trvat, než se definice sekundy přizpůsobí novým technickým možnostem.
trends in automation: jakou roli hraje v takovém novém vývoji spolupráce s mezinárodními partnery?
Ullrich: my metrologové spolupracujeme velmi těsně a konstruktivně na mezinárodní úrovni od podpisu metrologické konvence v roce 1875, což považuji za velmi příjemné. Ale samozřejmě existuje i konkurence. Nakonec chce mít každý ty nejlepší hodiny. To se nám docela daří. Naše atomové hodiny pracující na principu fontány patří mezi nejpřesnější hodiny na světě. A v oblasti optických hodin jsme v současné době v přátelském přímém utkání s naším partnerským institutem, National Institute of Standard and Technology, neboli zkráceně NIST, USA.
trends in automation: tématu se profesionálně věnujete velmi intenzivně. Ovlivňuje to také Váš osobní vztah k času?
Ullrich: čas vnímám jako nesmírně cenné aktivum. Snažím se ho tedy využívat na maximum. Například pracuji na různých úkolech, které vyžadují intenzivní soustředění, pokud možno uceleně, a pak se mi nelíbí být přerušován, protože práci je velmi neefektivní, pokud musíte pořád začínat znovu. Během takové pracovní fáze, obvykle brzy ráno nebo o víkendu, si zajistím, abych nebyl rušen mobilem či internetem.
Nejtěžší částí je vyvážení pracovní doby s časem rodinným. To je pravděpodobně také způsobeno tím, že dělám svou práci tak rád a často ji vůbec nevidím jako práci. Pak vždy na čas zapomínám.
Pan Joachim Ullrich je od roku 2012 prezidentem Fyzikálně-technického spolkového úřadu v Braunschweigu, německém národním metrologickém institutu. Předtím byl ředitelem Institutu Maxe Plancka pro jadernou fyziku v Heidelbergu, kde vedl oddělení „Experimentální kvantová dynamika více částic“. Je nejen mezinárodně uznáván jako prezident Fyzikálně-technického spolkového úřadu, ale také jako odborník na kvantovou fyziku a experimenty s lasery s volnými elektrony, například ve středisku DESY v Hamburku nebo v SLAC National Accelator Laboratory ve Stanfordu v USA. Za svou práci získal několik ocenění, včetně Ceny Gottfrieda Wilhelma Leibnize od Německé výzkumné nadace a Ceny Filipa Morrise za výzkum.