trendovi u automatizaciji: Profesore Ullrich, institut Physikalisch-Technische Bundesanstalt poznat je po svojim točnim satovima i stoga se, kad je riječ o vremenu, smatra autoritetom. Ali što je zapravo vrijeme?
Prof. dr. Joachim H. Ullrich: To je vrlo složeno pitanje. Mi fizičari olakšavamo si i definiramo vrijeme s pomoću predvidljivih procesa koji se ponavljaju, na primjer Zemljine rotacije ili njihala. Dobitnik Nobelove nagrade i povjerenik instituta PTB, Albert Einstein, dao nam je vrlo pragmatičnu definiciju vremena. Smatra da je vrijeme ono što možete pročitati na satu. Međutim, zahvaljujući Einsteinu znamo i da je vrijeme relativno, na primjer da teče sporije kada smo u pokretu ili u gravitacijskom polju. Ljudska percepcija vremena također je relativna. Evo još jednog citata koji se često pripisuje Einsteinu: dvije minute u društvu simpatične djevojke prolete, dok se dvije minute na vrućem štednjaku mogu činiti beskrajno dugima.
Osim toga, tu su i mnoga pitanja bez odgovora, na primjer ima li vrijeme početak ili kraj i koliko dugo traje sadašnjost u ljudskoj percepciji. Biološki sat i kulturološke posebnosti u načinu na koji se ophodimo s vremenom također su iznimno zanimljive i aktualne teme u znanosti.
trendovi u automatizaciji: Kako se vrijeme može mjeriti?
Ullrich: Na primjer s pomoću njihala. Što je njihalo kraće, to se brže ljulja i točnije može mjeriti vrijeme. Još točniji su kvarcni satovi u kojima električni naboj uzrokuje osciliranje kristala više od 30 000 puta u sekundi. Najprecizniji satovi trenutačno su atomski satovi, iako sami atomi u njima ne osciliraju. Umjesto toga koristimo se elektromagnetskim zračenjem, točnije mikrovalne pećnice. One osciliraju mnogo brže od kristala kvarca, točnije oko devet milijardi puta u sekundi. Mikrovalnim zračenjem pobuđujemo elektrone iz atoma cezija. A budući da ovo funkcionira samo ako zračenje ima vrlo specifičnu frekvenciju oscilacije, možemo ga upotrebljavati za definiranje i precizno određivanje vrijednosti sekunde.
Naravno, stalno moramo provjeravati jesmo li postavili pravi ritam i jesmo li pobudili elektrone. Da bismo to učinili, najprije šaljemo atome cezija u horizontalnom snopu kroz magnetska i mikrovalna polja, a zatim, pametno postavljenim detektorom, brojimo samo atome s pobuđenim elektronima. U naša dva najtočnija sata imamo drukčiji raspored i ispaljujemo atome cezija poput fontane okomito prema gore kroz mikrovalno polje. Kad padaju, još jedanput prolaze kroz polje. S pomoću ovih atomskih satova možemo precizno odrediti sekundu do 16 decimalnih mjesta.
trendovi u automatizaciji: Ručni ili satovi na kolodvorima sigurno ne moraju biti toliko precizni. Za što je potrebna visoka preciznost?
Ullrich: Netočnost se akumulira i to relativno brzo. Da bismo dugoročno jamčili visok stupanj točnosti, potrebni su nam vrlo precizni satovi. Osim toga, točno vrijeme posebno je važno u svijetu znanosti. Jedan od naših ključnih zadataka na PTB-u jest istraživanje pitanja jesu li temeljne fizičke konstante, poput konstante fine strukture, koja uključuje brzinu svjetlosti i Planckovu konstantu, doista konstantne. Postoje neki dokazi da to nije tako. Ako se ova sumnja potvrdi, to bi imalo dalekosežne posljedice jer se mnogi zakoni i modeli temelje na fizičkim konstantama. Oni koji se bave istraživanjem vremena još su 1930-ih doživjeli da su navodno sigurne pretpostavke poništene preciznim mjerenjima, kada je sekunda još bila definirana kao djelić Zemljine rotacije. Tada su ovdje na PTB-u pušteni u rad najprecizniji kvarcni satovi toga vremena. Istraživači su otkrili da se Zemljina rotacija usporava i vrlo promjenjiva te da se ne kreće uvijek istom brzinom, kao što se pretpostavljalo za postojeću definiciju vremena.
trendovi u automatizaciji: Postoje li praktične primjene za atomske satove?
Ullrich: Atomskim se satovima koriste, na primjer, sateliti za pozicioniranje američkog GPS sustava ili ruskog sustava GLONASS, kao i prvi sateliti europskog Galileo sustava. Ti sustavi identificiraju lokacije s pomoću vremena rada signala između satelita i Zemlje i stoga trebaju vrlo precizne vremenske specifikacije. Geodeti će uskoro htjeti upotrebljavati satove i za mjerenje u svemiru. To će omogućiti visokoprecizno mjerenje relativnog položaja dvaju satelita, kao i da se na temelju njihovih promjena izvuku zaključci o Zemljinu gravitacijskom polju i tako ga se sasvim mapira. Uz slična mjerenja na Zemlji i još točnije satove, možda bi čak i bilo moguće otkriti različite raspodjele mase i tako pratiti mineralne resurse u budućnosti. To su teme kojima se trenutačno bavimo u suradnji s drugim istraživačima u klasteru izvrsnosti QUEST Sveučilišta Leibniz u Hannoveru.
trendovi u automatizaciji: Imaju li satovi na satelitima istu složenu strukturu kao atomski satovi na PTB-u?
Ullrich: Rade na istom načelu, ali su svakako malo kompaktniji i ne moraju biti toliko precizni. Prethodni prijenos signala u svakom slučaju rezultira manjim odstupanjima. Danas možete jednostavno kupiti atomske satove za mnoge namjene. Cijena im je između nekoliko stotina eura i do 100 000 € kad je riječ o aplikacijama na zemlji, dok su za satelitske aplikacije mnogo skuplji. Zahvaljujući sofisticiranoj tehnologiji obično dugi niz godina rade bez održavanja.
trendovi u automatizaciji: Kažete da se tehnologija smatra zrelom. Može li atomski sat, kao što je ovaj ovdje u PTB-u, ipak zakazati?
Ullrich: U načelu, to je naravno moguće, ali imamo rezerve. Samo na PTB-u četiri primarna atomska sata otkucavaju kao naš doprinos svjetskom vremenu. Kako bi se osiguralo vrijeme za radijske satove, na primjer, koje se s pomoću dugovalnog odašiljača prenosi iz Mainflingena blizu Frankfurta, na terenu se nalaze još tri atomska sata, koji se redovito sinkroniziraju s našim satovima.
trendovi u automatizaciji: Kako osigurati da satovi idu točno u cijelom svijetu?
Ullrich: Kao što sam prije spomenuo, postoji nešto što zovemo koordinirano univerzalno vrijeme, koje vrijedi za 24 vremenske zone i koje određuje oko 400 atomskih satova diljem svijeta. Satovi se međusobno uspoređuju i stvara se prosječna vrijednost. Težina manje točnih satova manja je od one točnijih satova. Ta se vrijednost zatim provjerava kako bi se utvrdilo odgovara li onoj najboljih satova na svijetu, uključujući naše atomske satove na PTB-u. Tako određene vrijednosti kao koordinirano univerzalno vrijeme objavljuje Međunarodni ured za utege i mjere (BIPM) koji od 1875. godine ima sjedište u Sèvresu kraj Pariza u Francuskoj. To se trenutačno događa jedanput mjesečno. Također je važno da svi atomski satovi uzmu u obzir nadmorsku visinu jer, prema Einsteinu, na vrijeme utječe gravitacijsko polje.
trendovi u automatizaciji: Koliko će još vrijediti trenutačna definicija vremena?
Ullrich: Sigurno još nekoliko godina, iako je sljedeća generacija satova već na vidiku. Ti takozvani optički satovi vjerojatno će biti barem nekoliko stotina puta točniji od najboljih atomskih satova koji su danas dostupni. Rade na sličnom načelu. Međutim, zračenje kojim se ovdje koristimo za pobuđivanje elektrona ima 100 000 puta veću frekvenciju titranja i nalazi se u vidljivom području. Umjesto da se koriste mikrovalnim zračenjem, optički satovi rade sa svjetlom iz visokopreciznih lasera.
U PTB-u već imamo dva različita optička sata, od kojih su oba otprilike deset puta preciznija od naših atomskih satova. Međutim, tijekom sljedećih godina morat ćemo uspoređivati i promatrati različite optičke satove diljem svijeta kako bismo utvrdili otkucavaju li svi isto i s kakvom nepreciznošću. To će trajati najmanje onoliko koliko je potrebno da se definicija sekunde prilagodi novim tehničkim mogućnostima.
trendovi u automatizaciji: Kakvu ulogu igra suradnja s međunarodnim partnerima u takvim novim razvojima?
Ullrich: Od potpisivanja Metarske konvencije 1875. mi meteorolozi surađujemo vrlo blisko i konstruktivno, što mislim da je izvrsno. Ali naravno postoji i konkurencija. U konačnici, svi žele imati najbolji sat. U tom smo smislu bili vrlo uspješni. Naši atomski satovi među najtočnijima su na svijetu. U području optičkih satova trenutačno smo u prijateljskoj međusobnoj utrci s našim partnerom, Nacionalnim institutom za standarde i tehnologiju (NIST) u SAD-u.
trendovi u automatizaciji: Profesionalno se vrlo intenzivno bavite ovom temom. Utječe li to i na vaš osobni odnos s vremenom?
Ullrich: Smatram vrijeme iznimno vrijednim dobrom. Stoga ga pokušavam pametno rabiti. Na primjer, različite zadatke koji zahtijevaju intenzivnu koncentraciju, obavljam po mogućnosti u blokovima, a onda ne volim da me prekidaju jer rad postaje krajnje neučinkovit ako stalno morate počinjati ispočetka. Zato tijekom takvih faza rada ne volim biti na mobitelu ili internetu, pogotovo rano ujutro ili vikendom.
Najteže je uspostaviti ravnotežu između vremena provedenog na poslu i vremena provedenog s obitelji. To je dijelom zbog činjenice da volim svoj posao, a često ga i ne doživljavam kao posao. Tada mi se dogodi da zaboravim na vrijeme.
Joachim Ullrich je od 2012. predsjednik njemačkog nacionalnog instituta za mjeriteljstvo Physikalisch-Technische Bundesanstalt u Braunschweigu. Prije toga bio je direktor Max Planck Instituta za nuklearnu fiziku u Heidelbergu, gdje je vodio odjel eksperimentalne višečestične kvantne dinamike. Međunarodno je poznat ne samo kao predsjednik Nacionalnog instituta za mjeriteljstvo nego i kao stručnjak za kvantnu fiziku i eksperimente s laserima sa slobodnim elektronima koji se provode u DESY u Hamburgu i SLAC National Accelerator Laboratory u Stanfordu, SAD. Dobitnik je brojnih nagrada za svoj rad, uključujući Nagradu "Gottfried Wilhelm Leibniz" Njemačke istraživačke zaklade (DFG) i "Philip Morris Research Prize".