tendinte in domeniul automatizarii: Profesorul Ullrich, Physikalisch-Technische Bundesanstalt este cunoscut pentru ceasurile sale precise si, in acest sens, este o autoritate in materie de timp. Dar ce este de fapt timpul?
Prof. Dr. Joachim H. Ullrich: Aceasta este o intrebare foarte complexa. Noi, fizicienii, ne usuram sarcina si definim timpul in termeni de procese previzibile si recurente, de exemplu rotatia Pamantului sau un pendul. Aceasta definitie foarte pragmatica a fost deja data de Albert Einstein, laureat al Premiului Nobel si curator al PTB. Dupa aceea, timpul este ceea ce se citeste pe ceas. Cu toate acestea, de la Einstein incoace, stim si ca timpul este relativ, de exemplu, ca timpul trece mai incet atunci cand suntem in miscare sau intr-un camp gravitational. Perceptia umana a timpului este, de asemenea, relativa. Inca o data, bazat vag pe spusele lui Einstein: doua minute in compania unei fete dragute par foarte scurte, in timp ce doua minute pe un aragaz incins pot parea infinit de lungi.
In plus, exista multe intrebari fara raspuns de exemplu, daca timpul are un inceput sau un sfarsit si cat dureaza prezentul in perceptia umana. Ceasul biologic si particularitatile culturale in abordarea timpului sunt, de asemenea, subiecte de mare interes si actualitate in stiinta.
tendinte in domeniul automatizarii: Cum poate fi masurat timpul?
Ullrich: Cu un pendul, de exemplu. Cu cat pendulul este mai scurt, cu atat se misca mai repede si timpul poate fi masurat cu mai multa precizie. Chiar mai precise sunt ceasurile cu cuart, in care un cristal este facut sa oscileze cu ajutorul unei tensiuni electrice. Se balanseaza de peste 30.000 de ori pe secunda. Cele mai precise ceasuri din acest moment sunt ceasurile atomice, chiar daca atomii in sine nu oscileaza in ele. In schimb, se folosesc radiatii electromagnetice mai exact microunde. Ele oscileaza chiar mult mai repede decat un cristal de cuart, de aproximativ noua miliarde de ori pe secunda. Utilizam radiatii cu microunde pentru a excita electronii din atomii de cesiu. Si pentru ca acest lucru functioneaza numai daca radiatia are o frecventa de oscilatie specifica, putem sa o folosim pentru a defini valoarea unei secunde si, de asemenea, sa o determinam foarte precis.
Desigur, trebuie sa verificam in mod constant daca stabilim ritmul corect si daca stimulam cu adevarat electronii. Pentru a face acest lucru, mai intai trimitem atomii de cesiu intr-un fascicul orizontal prin campuri magnetice si de microunde si apoi, cu ajutorul unui detector pozitionat inteligent, numaram numai atomii cu electroni excitati. In cazul celor mai precise doua ceasuri ale noastre, avem o aranjare diferita si trimitem atomii de cesiu vertical in sus prin campul de microunde, ca o fantana. Ulterior, trec prin camp pentru a doua oara in timp ce cad. Cu aceste ceasuri atomice, putem determina secunda cu saisprezece zecimale.
tendinte in domeniul automatizarii: Ceasurile de mana sau ceasurile de statie nu trebuie sa fie atat de precise. Pentru ce aveti nevoie de o precizie ridicata?
Ullrich: Inexactitatea se acumuleaza si relativ repede. De aceea, putem garanta o precizie ridicata pe termen lung doar cu ceasuri foarte precise. In plus, masurarea exacta a timpului joaca un rol important in special pentru subiectele stiintifice. Unul dintre subiectele noastre principale la PTB este, de exemplu, intrebarea daca constantele naturale, cum ar fi asa-numita constanta de structura fina, care include viteza luminii si cuanta de actiune a lui Planck, sunt intr-adevar constante. Exista indicii ca acest lucru nu este adevarat. In cazul in care suspiciunea ar fi confirmata, acest lucru ar avea consecinte profunde, deoarece multe legi si modele se bazeaza pe constante naturale. De altfel, cercetatorii timpului au aflat inca din anii 1930, cand secunda era inca definita ca o fractiune din rotatia Pamantului, ca masuratorile precise pot da peste cap multe presupuneri considerate sigure. In acel moment, aici, la PTB, au fost puse in functiune cele mai precise ceasuri cu cuart din acea vreme. Cercetatorii au descoperit ca Pamantul se roteste tot mai incet si, in special, in mod neregulat si nu intotdeauna cu aceeasi viteza, asa cum se presupunea la acea vreme pentru definirea timpului.
tendinte in domeniul automatizarii: Exista si aplicatii practice pentru ceasurile atomice?
Ullrich: Ceasurile atomice ticaie, de exemplu, pe satelitii de pozitionare pentru sistemul american GPS sau rusesc GLONASS, dar si pentru primii sateliti ai sistemului european Galileo. Acestea determina pozitiile folosind timpii de deplasare a semnalului intre satelit si pamant si, astfel, au nevoie de informatii temporale foarte precise. De asemenea, geodezii doresc sa masoare in spatiu cu ajutorul ceasurilor in viitorul apropiat. Acest lucru face posibila masurarea cu mare precizie a pozitiei relative a doi sateliti si deducerea campului gravitational al pamantului fata de modificarile acestora, realizand astfel o cartografiere completa. Cu masuratori similare pe Pamant si cu ceasuri si mai precise, in viitor ar putea fi detectate chiar si distributii de masa diferite si, astfel, ar putea fi localizate si resursele minerale. In prezent, lucram la astfel de subiecte impreuna cu multi cercetatori din cadrul clusterului de excelenta QUEST de la Leibniz Universität Hannover.
tendinte in domeniul automatizarii: Au ceasurile de pe sateliti aceleasi configuratii complexe ca si ceasurile atomice de la PTB?
Ullrich: Functioneaza pe acelasi principiu, dar sunt cu siguranta mai compacte si nu trebuie sa fie atat de precise. Din cauza transmiterii anterioare a semnalului, apar oricum mici abateri. In zilele noastre, puteti cumpara cu usurinta ceasuri atomice pentru multe scopuri. Acestea costa intre cateva sute de euro si aproximativ 100 000 de euro pentru aplicatiile de pe Pamant - pentru aplicatiile prin satelit sunt mai scumpe - si, de obicei, nu necesita intretinere timp de multi ani, datorita tehnologiei sofisticate.
tendinte in domeniul automatizarii: Spuneti ca tehnologia este considerata matura. Poate un ceas atomic, cum este cel de aici de la PTB, sa mai dea gres?
Ullrich: In principiu, desigur, acest lucru este posibil, dar avem rezerve. Numai la PTB, patru ceasuri atomice primare ticaie ca si contributie a noastra la timpul mondial. Si pentru a furniza ora pentru ceasurile radio, de exemplu, care este transmisa prin intermediul unui emitator de unde lungi din Mainflingen, langa Frankfurt, exista alte trei ceasuri atomice, care sunt sincronizate in mod regulat cu ceasurile PTB.
tendinte in domeniul automatizarii: Cum se asigura ca ceasurile merg corect in intreaga lume?
Ullrich: Dupa cum am mentionat, exista asa-numita ora mondiala, care se aplica la 24 de fusuri orare si se determinata cu aproximativ 400 de ceasuri atomice din intreaga lume. Ceasurile sunt comparate intre ele si se calculeaza o valoare medie. Ceasurile mai putin precise au o pondere mai mica decat ceasurile mai precise. In cele din urma, se verifica daca aceasta valoare corespunde celor mai bune ceasuri din lume, printre care se numara si ceasurile noastre atomice de la PTB. Valorile determinate in acest mod sunt publicate ca ora mondiala de catre biroul international al Conventiei Metrului, BIPM, care are sediul la Sevres, langa Paris, in Franta, din 1875. In prezent, acest lucru se intampla o data pe luna. Totodata, este important ca toate ceasurile atomice sa fie raportate la o altitudine, deoarece, conform lui Einstein, timpul depinde si de campul gravitational.
tendinte in domeniul automatizarii: Cat timp este posibil ca definitia actuala a timpului sa ramana valabila?
Ullrich: Cu siguranta inca cativa ani, dar urmatoarea generatie de ceasuri deja se intrevede. Aceste asa-numite ceasuri optice vor fi probabil de cel putin o suta de ori mai precise decat cele mai bune ceasuri atomice din prezent. Acestea functioneaza dupa un principiu similar. Cu toate acestea, radiatia cu care excitam electronii aici are o frecventa de oscilatie de 100.000 de ori mai mare si se afla in domeniul vizibil. Prin urmare, in loc de radiatii cu microunde, ceasurile optice functioneaza cu lumina provenita de la lasere de inalta precizie.
La PTB, avem deja doua ceasuri optice diferite, ambele fiind de zece ori mai precise decat ceasurile noastre atomice. Cu toate acestea, in urmatorii cativa ani, va trebui mai intai sa comparam diferite ceasuri optice din intreaga lume si sa observam daca toate bat in acelasi mod si cu ce grad de incertitudine. Va dura cel putin atat timp pana cand definitia unei secunde va fi adaptata la noile posibilitati tehnice.
tendinte in domeniul automatizarii: Ce rol joaca cooperarea cu partenerii internationali in aceste noi evolutii?
Ullrich: Noi, metrologii, am colaborat foarte strans si constructiv la nivel international inca de la semnarea Conventiei Metrului din 1875, ceea ce mi se pare foarte imbucurator. Dar, bineinteles, exista si concurenta. La sfarsitul zilei, toata lumea vrea sa aiba cel mai bun ceas. In ceea ce priveste acest aspect, avem destul de mult succes. Ceasurile noastre atomice cu fantana sunt printre cele mai precise din lume. Iar in domeniul ceasurilor optice, suntem in prezent implicati intr-o cursa amicala cu institutul nostru partener, Institutul National de Standardizare si Tehnologie, sau NIST, din SUA.
tendinte in domeniul automatizarii: Va ocupati foarte mult de acest subiect in viata dumneavoastra profesionala Influenteaza acest lucru si relatia dumneavoastra foarte personala cu timpul?
Ullrich: Consider ca timpul este un bun extrem de pretios. De aceea incerc sa il folosesc cat mai bine. De exemplu, lucrez la o serie de activitati care necesita o concentrare intensa in etape, daca este posibil, si nu-mi place sa fiu intrerupt, deoarece munca devine extrem de ineficienta daca trebuie mereu sa incepi de la inceput. De aceea devin relativ independent de telefoanele mobile si de internet in timpul acestor faze de lucru, de obicei dimineata devreme sau in weekend.
Cel mai dificil lucru este sa echilibrezi timpul profesional cu timpul pentru familie. Probabil ca acest lucru se datoreaza si faptului ca imi place atat de mult munca mea si adesea nu simt ca muncesc deloc. Apoi, uneori uit ora.
Joachim Ullrich este presedinte al Physikalisch-Technische Bundesanstalt din Braunschweig, institutul national de metrologie din Germania, din 2012. Inainte, a fost director al Institutului Max Planck pentru Fizica Nucleara din Heidelberg, unde a condus departamentul de "Dinamica cuantica experimentala multiparticulara". El este recunoscut la nivel international nu numai ca presedinte al PTB, ci si ca expert in fizica cuantica si in experimente cu laser cu electroni liberi, de exemplu la DESY din Hamburg sau la Laboratorul national de accelerare SLAC din Stanford, SUA. A primit mai multe premii pentru activitatea sa, inclusiv premiul Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Forderpreis al Fundatiei Germane de Cercetare si premiul de cercetare Philipp Morris.