Joachim Ullrich jest dyrektorem Physikalisch-Technische Bundesanstalt w Brunszwiku. Zegary, które odmierzają czas w tym miejscu, należą do najdokładniejszych czasomierzy na świecie. W tym wywiadzie fizyk wyjaśnia zasady ich działania, co mają wspólnego z uniwersalnym czasem koordynowanym i dlaczego dobrym pomysłem jest podawanie sekundy z dokładnością do szesnastu miejsc po przecinku.
trends in automation: Profesorze Ullrich, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) znane jest z dokładności swoich czasomierzy i uważane za autorytet w dziedzinie czasu. Ale czym właściwie jest czas?
Prof. dr Joachim H. Ullrich: To jest bardzo złożone zagadnienie. My, fizycy, ułatwiamy sobie zadanie definiując czas przy użyciu przewidywalnych, powtarzających się procesów, takich jak ruch obiegowy ziemi czy chociażby zasada działania wahadła. Tę bardzo pragmatyczną definicję przekazał już laureat Nagrody Nobla i kurator PTB Albert Einstein. Czas jest tym, co można odczytać na zegarze. Niemniej jednak od czasów Einsteina wiemy, że czas jest pojęciem względnym. Na przykład płynie wolniej gdy jesteśmy w ruchu lub gdy znajdujemy się w polu grawitacyjnym. Postrzeganie czasu przez człowieka również jest względne. Oto kolejny cytat często przypisywany Einsteinowi: "Dwie minuty w towarzystwie miłej dziewczyny wydają się bardzo krótkie, podczas gdy dwie minuty na gorącym piecu mogą wydawać się nieskończenie długie".
Na wiele pytań nadal nie potrafimy odpowiedzieć, na przykład czy czas ma początek i koniec albo jak długo w umyśle człowieka trwa teraźniejszość. Obecnie nauka zajmuje się również innymi arcyciekawymi zagadnieniami, chociażby istotą zegara biologicznego czy kulturowymi różnicami w postrzeganiu czasu.
trends in automation: Jak można mierzyć czas?
Ullrich: Na przykład przy pomocy wahadła. Im krótsze wahadło, tym szybciej się waha i tym dokładniej można mierzyć czas. Jeszcze bardziej precyzyjne są zegary kwarcowe, w których kryształ jest wprawiany w drgania za pomocą napięcia elektrycznego. Z częstotliwością ponad 30 000 razy na sekundę. Obecnie najdokładniejszymi zegarami, które mamy, są zegary atomowe, choć atomy same w sobie nie drgają. Zamiast tego stosujemy promieniowanie elektromagnetyczne, a dokładniej mówiąc mikrofale. Mają one zdolność do wytwarzania znacznie szybszego drgania niż kryształ kwarcu, w granicach dziewięciu miliardów razy na sekundę. Używamy tej właściwości promieniowania mikrofalowego do wzbudzenia elektronów atomów cezu. Jako że zjawisko to zachodzi jedynie gdy promieniowanie ma ściśle określoną częstotliwość drgań, możemy wykorzystać je do precyzyjnego zmierzenia wartości sekundy.
Oczywiście, musimy nieustannie sprawdzać poprawność ustawienia impulsu zegarowego oraz to, czy elektrony są właściwie wzbudzane. Aby tego dokonać, zaczynamy od przesłania atomów cezu w wiązce poziomej przez pole magnetyczne i mikrofalowe, a następnie zliczamy tylko atomy z wzbudzonymi elektronami, przy użyciu starannie pozycjonowanego detektora. W naszych dwóch najdokładniejszych zegarach, mamy inny układ i wystrzeliwujemy atomy cezu pionowo do góry jak w fontannie, poprzez pole magnetyczne. Następnie przechodzą przez pole po raz drugi, spadając w dół. Dzięki tym zegarom atomowym możemy wyznaczyć sekundę z dokładnością do 16 miejsc po przecinku.
trends in automation: Zegarki na rękę lub zegary na dworcach z pewnością nie muszą być aż tak dokładne. Do czego potrzebna jest wysoka precyzja?
Ullrich: Niedokładność kumuluje się i to stosunkowo szybko. Dlatego też wysoką dokładność w dłuższym okresie czasu możemy zagwarantować tylko w przypadku bardzo dokładnych zegarów. Ponadto dokładny pomiar czasu odgrywa ważną rolę zwłaszcza w przypadku zagadnień naukowych. Jednym z kluczowych pytań, jakie przed sobą stawiamy w PTB jest: czy fundamentalne dla fizyki stałe – takie jak chociażby stała struktury subtelnej, która obejmuje prędkość światła i kwant Plancka – naprawdę są stałe. Istnieją przesłanki, że tak nie jest. Gdyby znaleźć dowody na poparcie tej tezy, miałaby ona daleko idące konsekwencje, jako że wiele praw i modeli opartych jest o stałe fizyczne. Nawiasem mówiąc, badacze czasu dowiedzieli się już w latach 30. XX wieku, kiedy sekunda była jeszcze definiowana jako ułamek obrotu Ziemi, że precyzyjne pomiary mogą storpedować wiele założeń, które uważano za bezpieczne. W tym czasie w PTB zostały uruchomione najdokładniejsze w swoim czasie zegary kwarcowe. Badacze odkryli, że Ziemia obraca się coraz wolniej, a w szczególności nieregularnie i nie zawsze z tą samą prędkością, jak zakładano w ówczesnej definicji czasu.
trends in automation: Czy istnieją również praktyczne zastosowania zegarów atomowych?
Ullrich: Zegary atomowe są używane w lokalizacji satelitów dla amerykańskiego systemu GPS czy rosyjskiego GLONASS a także dla pierwszych satelitów europejskiego systemu Galileo. Te systemy określają lokalizację przy użyciu sygnału pomiędzy Ziemią a satelitą, dlatego też potrzebują bardzo precyzyjnego określenia czasu. Geodeci chcą też w niedalekiej przyszłości dokonywać pomiarów w przestrzeni za pomocą zegarów. Umożliwi to uzyskanie wysokiej precyzji pomiaru względnej pozycji dwóch satelitów, a ich zmiana może być użyta do pełnego określenia pola grawitacyjnego ziemi. Dzięki podobnym pomiarom na Ziemi i jeszcze dokładniejszym zegarom, w przyszłości będzie można wykryć rozkład mas cząsteczkowych, a tym samym odkryć źródła zasobów mineralnych na naszej planecie. Nad tymi i podobnymi tematami pracujemy obecnie wraz z naukowcami w zespole QUEST na Uniwersytecie Leibniza w Hanowerze.
trends in automation: Czy zegary używane przez satelity mają równie skomplikowaną budowę jak zegary atomowe w PTB?
Ullrich: Działają one na tej samej zasadzie, ale są z pewnością nieco bardziej kompaktowe i nie muszą być tak precyzyjne. Wcześniejsza transmisja sygnału skutkuje zaledwie niewielkimi odchyleniami. Obecnie można łatwo kupić zegary atomowe do wielu celów. Kosztują one od 100 € do około 100 000 € w przypadku zastosowań na ziemi - w przypadku zastosowań satelitarnych są znacznie droższe - i zazwyczaj działają bezobsługowo przez wiele lat dzięki zaawansowanej technologii.
trends in automation: Mówi się, że technologia ta jest zaawansowana. Czy może się jednak zdarzyć, że zegar atomowy, chociażby taki, jakim dysponujecie tutaj, w PTB – zepsuje się?
Ullrich: Oczywiście taka możliwość teoretycznie zawsze istnieje, ale mamy rozwiązania awaryjne na taką ewentualność. Tylko w naszym instytucie mamy cztery podstawowe zegary atomowe działające jako nasz wkład w system uniwersalnego czasu koordynowanego. Aby dostarczyć czas na przykład do zegarów radiowych, który jest przesyłany przez nadajnik na falach długich w Mainflingen koło Frankfurtu, na miejscu znajdują się kolejne trzy zegary atomowe, które są regularnie synchronizowane z zegarami PTB.
trends in automation: W jaki sposób zapewnia się prawidłowe działanie zegarów na całym świecie?
Ullrich: Jak wcześniej wspomniałem, używamy uniwersalnego czasu koordynowanego, działającego w 24 strefach czasowych i określanego na podstawie wskazań ok. 400 zegarów atomowych na całym świecie. Zegary są porównywane ze sobą i obliczana jest wartość średnia. Mniej dokładne zegary mają mniejszą wagę niż zegary bardziej dokładne. Na koniec sprawdzane jest, czy wartość ta odpowiada najlepszym zegarom na świecie, do których należą również nasze zegary atomowe w PTB. Ustalone w ten sposób wartości są publikowane jako uniwersalny czas skoordynowany przez Międzynarodowy Urząd Miar i Wag BIPM, który został utworzony w Sèvres pod Paryżem w 1875 roku. Obecnie odbywa się to raz w miesiącu. Ważne jest również to, że wszystkie zegary atomowe odnoszą się do wysokości nad poziomem morza, ponieważ według teorii Einsteina czas zależy również od pola grawitacyjnego.
trends in automation: Jak długo będzie obowiązywać obecna definicja czasu?
Ullrich: Z pewnością jeszcze kilka lat, ale następna generacja zegarków jest już w zasięgu wzroku. Te tak zwane zegary optyczne będą prawdopodobnie co najmniej sto razy dokładniejsze niż najlepsze obecnie zegary atomowe. Działają one na podobnej zasadzie. Jednak promieniowanie, którym wzbudzamy tu elektrony, ma częstotliwość drgań 100 000 razy wyższą i mieści się w zakresie widzialnym. W miejsce promieniowania mikrofalowego, w zegarach optycznych stosuje się światło z bardzo precyzyjnych laserów.
W PTB mamy już dwa różne zegary optyczne, które są około dziesięć razy dokładniejsze od naszych zegarów atomowych. W nadchodzących latach będziemy musieli przyjrzeć się dokładniej i porównać różnorakie zegary optyczne na świecie, aby jednoznacznie stwierdzić, czy ich wskazania są jednakowe i jaki jest ewentualny margines błędu. Minie co najmniej tyle czasu, zanim definicja sekundy zostanie dostosowana do nowych możliwości technicznych.
trends in automation: Jaką rolę w takich przedsięwzięciach odgrywa współpraca z partnerami międzynarodowymi?
Ullrich: My, metrolodzy, od czasu podpisania Konwencji Metrycznej w 1875 roku bardzo ściśle i konstruktywnie współpracujemy na arenie międzynarodowej, co uważam za bardzo pozytywne. Ale oczywiście jest też konkurencja. Ostatecznie każdy chce mieć najlepszy zegarek. W tym aspekcie odnieśliśmy spory sukces. Nasze fontannowe zegary atomowe są jednymi z najdokładniejszych zegarów na świecie. W dziedzinie zegarów optycznych prowadzimy przyjacielski wyścig z naszym konkurentem, ale i partnerem, Narodowym Instytutem Standardów i Technologii (w skrócie NIST) w Stanach Zjednoczonych.
trends in automation: Zawodowo jest Pan bardzo zaangażowany w temat czasu. Czy wpływa to również na Pana prywatny stosunek do czasu?
Ullrich: Uważam, że czas jest niezwykle cenną wartością. Dlatego staram się mądrze nim gospodarować. Na przykład różne zadania wymagające intensywnej koncentracji wykonuję w miarę możliwości w blokach i nie lubię, gdy mi się przerywa, ponieważ to bardzo obniża efektywność pracy, gdy trzeba zaczynać od początku. W taki intensywny sposób pracuję zwykle wczesnym rankiem lub w weekendy. Podczas pracy rzadko rozpraszam się poprzez używanie Internetu czy telefonu komórkowego.
Najtrudniej jest pogodzić czas zawodowy z czasem dla rodziny. To pewnie też trochę dlatego, że tak bardzo lubię swoją pracę i często nie czuję, że to w ogóle jest praca. Czasami po prostu zapominam o czasie.
Joachim Ullrich jest od 2012 roku Prezesem Physikalisch-Technische Bundesanstalt w Brunszwiku, niemieckiego narodowego instytutu metrologicznego. Wcześniej był dyrektorem Instytutu Fizyki Jądrowej Maxa Plancka w Heidelbergu, gdzie kierował wydziałem "Experimental Multiparticle Quantum Dynamics". Jest on nie tylko uznanym na arenie międzynarodowej prezesem PTB, ale także ekspertem od fizyki kwantowej i eksperymentów na laserach na wolnych elektronach przeprowadzanych w DESY w Hamburgu i Narodowym Laboratorium Akceleratorów działającym przy Uniwersytecie Stanforda w Stanach Zjednoczonych. Za swoją pracę otrzymał wiele nagród, w tym Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Förderpreis od Niemieckiej Fundacji Badawczej oraz Philipp Morris Research Prize.