Joachim Ullrich predsednik je nemačkog nacionalnog fizičko-tehničkog instituta Physikalisch-Technische Bundesanstalt u Braunšvajgu. Satovi koji ovde otkucavaju među najtačnijim su na svetu. U intervjuu fizičar objašnjava kako oni rade, kakve veze imaju sa svetskim vremenom i zašto je dobra ideja definisati sekundu do šesnaest decimalnih mesta.
trendovi u automatizaciji: Profesor Ullrich, institut Physikalisch-Technische Bundesanstalt poznat je po svojim tačnim satovima i zato se, kada je reč o vremenu, smatra autoritetom. Ali šta je zapravo vreme?
Prof. Dr. Joachim H. Ullrich: To je veoma složeno pitanje. Mi fizičari sebi olakšavamo i definišemo vreme pomoću predvidljivih procesa koji se ponavljaju, na primer Zemljina rotacija ili klatno. Dobitnik Nobelove nagrade i poverenik instituta PTB, Albert Ajnštajn, dao nam je veoma pragmatičnu definiciju vremena. Po njemu, vreme je ono što možete pročitati na satu. Međutim, zahvaljujući Ajnštajnu znamo i da je vreme relativno, na primer da teče sporije kada smo u pokretu ili u gravitacionom polju. Ljudska percepcija vremena je takođe relativna. Evo još jednog citata koji se često pripisuje Ajnštajnu: dva minuta u društvu simpatične devojke prolete, dok se dva minuta na vrućem šporetu mogu činiti beskrajno dugim.
Osim toga, tu su i mnoga pitanja bez odgovora, na primer ima li vreme početak ili kraj i koliko dugo traje sadašnjost u ljudskoj percepciji. Biološki sat i kulturološke posebnosti u načinu na koji se ophodimo s vremenom takođe su izuzetno zanimljive i aktuelne teme u nauci.
trendovi u automatizaciji: Kako se vreme može meriti?
Ullrich: Na primer pomoću klatna. Što je klatno kraće, to se brže ljulja i tačnije može meriti vreme. Još tačniji su kvarcni satovi u kojima električni napon uzrokuje oscilovanje kristala preko 30.000 puta u sekundi. Najprecizniji satovi trenutno su atomski satovi, iako sami atomi u njima ne osciluju. Umesto toga koristimo elektromagnetno zračenje, tačnije mikrotalasne pećnice. One osciluju mnogo brže od kristala kvarca, tačnije oko devet milijardi puta u sekundi. Mikrotalasnim zračenjem pobuđujemo elektrone iz atoma cezijuma. A budući da ovo funkcioniše samo ako zračenje ima veoma specifičnu frekvenciju oscilacije, možemo ga koristiti za definisanje i precizno određivanje vrednosti sekunde.
Naravno, stalno moramo proveravati da li smo postavili pravi ritam i da li smo pobudili elektrone. Da bismo to učinili, najpre šaljemo atome cezijuma u horizontalnom snopu kroz magnetna i mikrotalasna polja, a zatim, pametno postavljenim detektorom, brojimo samo atome sa pobuđenim elektronima. U naša dva najtačnija sata imamo drugačiji raspored i ispaljujemo atome cezijuma poput fontane vertikalno prema gore kroz mikrotalasno polje. Kada padaju, još jednom prolaze kroz polje. Pomoću ovih atomskih satova možemo precizno odrediti sekundu do 16 decimalnih mesta.
trendovi u automatizaciji: Ručni satovi ili satovi na stanicama sigurno ne moraju biti toliko precizni. Za šta je potrebna visoka preciznost?
Ullrich: Netačnost se akumulira i to relativno brzo. Da bismo dugoročno garantovali visok stepen tačnosti, potrebni su nam veoma precizni satovi. Osim toga, tačno vreme je posebno važno u svetu nauke. Jedan od naših ključnih zadataka na PTB-u jest istraživanje pitanja da li su osnovne fizičke konstante, poput konstante fine strukture, koja uključuje brzinu svetlosti i Plankovu konstantu, zaista konstantne. Postoje neki dokazi da to nije tako. Ako se ova sumnja potvrdi, to bi imalo dalekosežne posledice, budući da se mnogi zakoni i modeli zasnivaju na fizičkim konstantama. Oni koji se bave istraživanjem vremena još su 1930-ih doživeli da su navodno sigurne pretpostavke poništene preciznim merenjima, kada je sekunda još uvek bila definisana kao delić Zemljine rotacije. Tada su ovde na PTB-u pušteni u rad najprecizniji kvarcni satovi toga vremena. Istraživači su otkrili da se Zemljina rotacija usporava i vrlo promenljiva, i da se ne kreće uvek istom brzinom, kao što se pretpostavljalo za postojeću definiciju vremena.
trendovi u automatizaciji: Postoje li praktične primene za atomske satove?
Ullrich: Atomske satove koriste, na primer, sateliti za pozicioniranje za američki GPS sistem ili ruski GLONASS, kao i prvi sateliti evropskog Galileo sistema. Ti sistemi identifikuju lokacije pomoću vremena rada signala između satelita i zemlje i zato su potrebne veoma precizne vremenske specifikacije. Geodeti će uskoro hteti koristiti satove i za merenje u svemiru. To će omogućiti visokoprecizno merenje relativnog položaja dva satelita, kao i da se na osnovu njihovih promena izvuku zaključci o gravitacionom polju Zemlje i tako ga u potpunosti mapirati. Uz slična merenja na Zemlji i još tačnije satove, možda bi čak bilo moguće otkriti različite raspodele mase i tako pratiti mineralne resurse u budućnosti. To su teme kojima se trenutno bavimo u saradnji sa drugim istraživačima u klasteru izvrsnosti QUEST Univerziteta Leibniz u Hanoveru.
trendovi u automatizaciji: Imaju li satovi na satelitima istu složenu strukturu kao atomski satovi na PTB-u?
Ullrich: Rade na istom principu, ali su svakako malo kompaktniji i ne moraju biti toliko precizni. Prethodni prenos signala u svakom slučaju rezultuje manjim odstupanjima. Danas možete jednostavno kupiti atomske satove za mnoge namene. Cena im je između nekoliko stotina evra i do 100.000 evra kada je reč o primenama na zemlji, dok su za satelitske primene znatno 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 ovde u PTB-u, ipak zakazati?
Ullrich: U principu, to je naravno moguće, ali imamo rezerve. Samo na PTB-u, četiri primarna atomska sata otkucavaju kao naš doprinos svetskom vremenu. Da bi se osiguralo vreme za radio satove, na primer, koje se pomoću dugotalasnog odašiljača prenosi iz Mainflingena blizu Frankfurta, na terenu se nalaze još tri atomska sata, koji se redovno sinhronizuju sa našim satovima.
trendovi u automatizaciji: Kako osigurati da satovi idu tačno u celom svetu?
Ullrich: Kao što sam ranije spomenuo, postoji nešto što zovemo koordinisano univerzalno vreme, koje važi za 24 vremenske zone i koje određuje oko 400 atomskih satova širom sveta. Satovi se međusobno upoređuju i stvara se prosečna vrednost. Težina manje tačnih satova manja je od one tačnijih satova. Ta se vrednost zatim proverava kako bi se utvrdilo odgovara li onoj najboljih satova na svetu, uključujući naše atomske satove na PTB-u. Tako određene vrednosti kao koordinisano univerzalno vreme objavljuje Međunarodni biro za težine i mere (BIPM) koji od 1875. godine ima sedište u Sèvresu kod Pariza u Francuskoj. To se trenutno događa jednom mesečno. Takođe je važno da svi atomski satovi uzmu u obzir nadmorsku visinu jer, po Ajnštajnu, na vreme utiče gravitaciono polje.
trendovi u automatizaciji: Koliko će još važiti trenutna definicija vremena?
Ullrich: Sigurno još nekoliko godina, iako je sledeća generacija satova već na vidiku. Ti takozvani optički satovi verovatno će biti barem nekoliko stotina puta tačniji od najboljih atomskih satova koji su danas dostupni. Rade na sličnom principu. Međutim, zračenje koje ovde koristimo za pobuđivanje elektrona ima 100.000 puta veću frekvenciju vibracija i nalazi se u vidljivom opsegu. Umesto da koriste mikrotalasno zračenje, optički satovi rade sa svetlom iz visoko preciznih lasera.
U PTB-u već imamo dva različita optička sata, od kojih su oba otprilike deset puta preciznija od naših atomskih satova. Međutim, tokom sledećih godina moraćemo upoređivati i posmatrati različite optičke satove širom sveta kako bismo utvrdili otkucavaju li svi isto i sa kakvom nepreciznošću. To će trajati najmanje onoliko koliko je potrebno da se definicija sekunde prilagodi novim tehničkim mogućnostima.
trendovi u automatizaciji: Kakvu ulogu igra saradnja sa međunarodnim partnerima u takvim novim razvojima?
Ullrich: Od potpisivanja Metarske konvencije 1875., mi metrolozi sarađujemo veoma blisko i konstruktivno, i mislim da je to odlično. Ali naravno postoji i konkurencija. Na kraju, svi žele imati najbolji sat. U tom smislu smo bili veoma uspešni. Naši atomski satovi su među najtačnijim na svetu. U oblasti optičkih satova trenutno smo u prijateljskoj međusobnoj trci sa našim partnerom, Nacionalnim institutom za standarde i tehnologiju (NIST) u SAD-u.
trendovi u automatizaciji: Profesionalno se veoma intenzivno bavite ovom temom. Utiče li to i na vaš lični odnos sa vremenom?
Ullrich: Smatram vreme izuzetno vrednim dobrom. Zato pokušavam da ga pametno koristim. Na primer, različite zadatke koji zahtevaju intenzivnu koncentraciju, obavljam po mogućstvu u blokovima, a onda ne volim da me prekidaju jer rad postaje krajnje neefikasan ako stalno morate počinjati ispočetka. Zato tokom takvih faza rada ne volim biti na mobilnom telefonu ili internetu, pogotovo rano ujutro ili vikendom.
Najteže je uspostaviti ravnotežu između vremena provedenog na poslu i vremena provedenog sa porodicom. To je delom zbog činjenice da volim svoj posao, a često ga ni ne doživljavam kao posao. Tada mi se dogodi da zaboravim na vreme.
Joachim Ullrich je od 2012. predsednik nemačkog nacionalnog instituta za metrologiju Physikalisch-Technische Bundesanstalt u Braunšvajgu. Pre toga bio je direktor Max Planck Instituta za nuklearnu fiziku u Hajdelbergu, gde je vodio odeljenje „eksperimentalne višečestične kvantne dinamike“. Međunarodno je poznat ne samo kao predsednik Nacionalnog instituta za metrologiju, već i kao stručnjak za kvantnu fiziku i eksperimente sa laserima sa slobodnim elektronima koji se sprovode u DESY u Hamburgu i SLAC National Accelerator Laboratory u Stanfordu, SAD. Dobitnik je brojnih nagrada za svoj rad, uključujući nagradu Gottfried Wilhelm Leibniz Nemačke istraživačke fondacije (DFG) i Philip Morris Research Prize.