trends in automation: Profesor Ullrich, Physikalisch-Technische Bundesanstalt, je znan po svojih natančnih urah in je v tem smislu avtoriteta na področju časa. Toda kaj je pravzaprav čas?
Prof. dr. Joachim H. Ullrich: To je zelo zapleteno vprašanje. Fiziki si olajšamo delo in čas opredelimo kot predvidljive, ponavljajoče se procese, na primer vrtenje Zemlje ali nihalo. To zelo pragmatično opredelitev je podal že Nobelov nagrajenec in kurator PTB Albert Einstein. Nato je čas tisti, ki ga preberete na uri. Od Einsteina naprej pa vemo tudi, da je čas relativen, na primer, da teče počasneje, kadar smo v gibanju ali gravitacijskem polju. Tudi človeško dojemanje časa je relativno. Še enkrat prosto po Einsteinu: dve minuti v družbi prijetnega dekleta se zdita zelo kratki, medtem ko sta dve minuti na vročem štedilniku lahko neskončno dolgi.
Poleg tega obstaja veliko neodgovorjenih vprašanj, na primer: ali ima čas začetek ali konec in kako dolgo dejansko traja sedanjost v človeškem zaznavanju. Biološka ura in kulturne posebnosti pri ravnanju s časom so prav tako zelo zanimive in aktualne znanstvene teme.
trends in automation: Kako meriti čas?
Ullrich: Z nihalom, na primer. Čim krajše je nihalo, tem hitreje niha in čas lahko izmerimo še natančneje. Še natančnejše so kvarčne ure, pri katerih kristal niha z električno napetostjo. Na sekundo zamahne več kot 30.000-krat. Trenutno so najnatančnejše atomske ure, čeprav atomi v njih ne nihajo. Namesto tega uporabljamo elektromagnetno sevanje, natančneje mikrovalove. Oscilirajo še veliko hitreje kot kvarčni kristal, približno devetmilijardkrat na sekundo. Za vzbujanje elektronov iz cezijevih atomov uporabljamo mikrovalovno sevanje. In ker to deluje le, če ima sevanje zelo specifično frekvenco nihanja, ga lahko uporabimo za opredelitev vrednosti sekunde in jo tudi zelo natančno določimo.
Seveda moramo nenehno preverjati, ali nastavljamo pravi tempo in ali resnično spodbujamo elektrone. To storimo tako, da atome cezija najprej pošljemo v vodoravnem snopu skozi magnetna in mikrovalovna polja, nato pa s spretno nameščenim detektorjem preštejemo le atome z vzbujenimi elektroni. V naših dveh najnatančnejših urah imamo drugačno postavitev in cezijeve atome izstreljujemo kot fontano navpično navzgor skozi mikrovalovno polje. Ko padejo, gredo še drugič skozi polje. S temi atomskimi urami lahko sekundo določimo na 16 decimalnih mest natančno.
trends in automation: Zagotovo ni potrebno, da so zapestne ure ali ure na železniških postajah tako natančne. Zakaj je potrebna visoka natančnost?
Ullrich: Netočnost se kopiči, in to razmeroma hitro. Zato lahko visoko natančnost dolgoročno zagotovimo le z zelo natančnimi urami. Poleg tega ima natančno merjenje časa pomembno vlogo zlasti pri znanstvenih temah. Ena od naših glavnih tem v PTB je na primer vprašanje, ali so naravne konstante, kot je tako imenovana konstanta fine strukture, ki med drugim vključuje svetlobno hitrost in Planckov kvant delovanja, res konstantne. Obstajajo znaki, da ni tako. Če bi se sum potrdil, bi to imelo daljnosežne posledice, saj številni zakoni in modeli temeljijo na naravnih konstantah. Mimogrede, raziskovalci časa so že v tridesetih letih prejšnjega stoletja, ko je bila sekunda še vedno opredeljena kot delček Zemljinega vrtenja, spoznali, da lahko natančne meritve izničijo marsikatero domnevo, ki je veljala za varno. Takrat so v PTB začeli uporabljati najnatančnejše kvarčne ure tistega časa. Raziskovalci so ugotovili, da se Zemlja vrti vse počasneje, predvsem pa tudi neenakomerno in ne vedno z enako hitrostjo, kot je veljalo za takratno definicijo časa.
trends in automation: Ali za atomske ure obstajajo tudi praktične uporabe?
Ullrich: Atomske ure tiktakajo na primer na satelitih za določanje položaja ameriškega sistema GPS ali ruskega sistema GLONASS in tudi na prvih satelitih evropskega sistema Galileo. Ti sistemi določajo lokacije na podlagi časa potovanja signala med satelitom in Zemljo, zato potrebujejo zelo natančne časovne podatke. Tudi geodeti želijo v bližnji prihodnosti z urami meriti v vesolju. Tako je mogoče zelo natančno izmeriti relativni položaj dveh satelitov in na podlagi njunih sprememb sklepati o gravitacijskem polju Zemlje ter ga tako v celoti kartirati. S podobnimi meritvami na Zemlji in še natančnejšimi urami bi lahko v prihodnosti zaznali tudi drugačno porazdelitev mase in tako izsledili rudna bogastva. S temi temami se trenutno ukvarjamo skupaj s številnimi raziskovalci v grozdu odličnosti QUEST na Leibniz Universität Hannover.
trends in automation: Ali imajo ure na satelitih enako zapletene strukture kot atomske ure v PTB?
Ullrich: Delujejo po enakem načelu, vendar so vsekakor nekoliko kompaktnejše in jim ni treba biti tako natančne. Zaradi dosedanjega prenosa signala vseeno pride do manjših odstopanj. Danes lahko brez težav kupite atomske ure za številne namene. Za uporabo na Zemlji stanejo od nekaj 100 EUR do približno 100.000 EUR – za satelitsko uporabo so precej dražji – in zaradi napredne tehnologije običajno več let delujejo brez vzdrževanja.
trends in automation: Pravite, da tehnologija velja za zrelo. Ali lahko atomska ura, kot je tista pri PTB, še vedno odpove?
Ullrich: Načeloma je to seveda mogoče, vendar imamo rezerve. Samo v PTB-ju k svetovnemu času prispevajo štiri osnovne atomske ure. Za zagotavljanje časa za radijske ure, ki se na primer pošilja prek dolgovalovnega oddajnika v Mainflingenu pri Frankfurtu, so na lokaciji še tri atomske ure, ki se redno sinhronizirajo z urami PTB.
trends in automation: Kako se zagotavlja, da ure po vsem svetu tečejo pravilno?
Ullrich: Kot smo pravkar omenili, obstaja tako imenovani svetovni čas, ki velja za 24 časovnih pasov in ga določa približno 400 atomskih ur po vsem svetu. Ure se primerjajo med seboj in izračuna se srednja vrednost. Manj natančne ure imajo manjšo težo kot bolj natančne ure. Na koncu preverimo, ali ta vrednost ustreza najboljšim uram na svetu, med katerimi so tudi naše atomske ure na PTB. Tako določene vrednosti kot svetovni čas objavlja mednarodni urad za Konvencijo o metrih BIPM, ki ima od leta 1875 sedež v Sèvresu pri Parizu v Franciji. To se trenutno dogaja enkrat na mesec. Pomembno je tudi, da so vse atomske ure vezane na eno višino, saj je po Einsteinu čas odvisen tudi od gravitacijskega polja.
trends in automation: Kako dolgo bo predvidoma veljala trenutna opredelitev časa?
Ullrich: Zagotovo še nekaj let, vendar pa je že na vidiku naslednja generacija ur. Te tako imenovane optične ure bodo verjetno vsaj stokrat natančnejše od najboljših današnjih atomskih ur. Delujejo po podobnem načelu. Vendar ima sevanje, s katerim vzbujamo elektrone, 100.000-krat višjo frekvenco nihanja in je v vidnem območju. Optične ure tako namesto mikrovalovnega sevanja uporabljajo svetlobo iz zelo natančnih laserjev.
V PTB že imamo dve različni optični uri, ki sta približno desetkrat natančnejši od naših atomskih ur. V naslednjih nekaj letih pa bomo morali najprej primerjati različne optične ure po vsem svetu in ugotoviti, ali vse tiktakajo enako in s kakšno stopnjo negotovosti. Vsaj toliko časa bo trajalo, preden bo opredelitev sekunde prilagojena novim tehničnim možnostim.
trends in automation: Katero vlogo ima sodelovanje z mednarodnimi partnerji pri takšnem novem razvoju?
Ullrich: Meroslovci od podpisa Konvencije o metrih leta 1875 zelo tesno in konstruktivno sodelujemo na mednarodni ravni, kar se mi zdi zelo prijetno. Seveda pa obstaja tudi konkurenca. Ne nazadnje si vsak želi imeti najboljšo uro. Na tem področju smo precej uspešni. Naše atomske ure fontane so med najnatančnejšimi urami na svetu. Na področju optičnih ur pa trenutno prijateljsko tekmujemo z našim partnerskim inštitutom, National Institute of Standard and Technology (NIST) v ZDA.
trends in automation: S to temo se poklicno zelo intenzivno ukvarjate. Ali to vpliva tudi na vaš zelo oseben odnos do časa?
Ullrich: Čas je zame izjemno dragocena dobrina. Zato ga poskušam čim bolje izkoristiti. Različne naloge, ki zahtevajo intenzivno koncentracijo, na primer opravljam v blokih, če je le mogoče, in ne maram, da me kdo prekine, saj je delo zelo neučinkovito, če moraš začeti znova. Zato sem v takih delovnih fazah, običajno zgodaj zjutraj ali ob koncu tedna, relativno neodvisen od mobilnih telefonov in interneta.
Najtežje je uskladiti službeni čas s časom za družino. To je verjetno tudi posledica tega, da v svojem delu zelo uživam in pogosto sploh nimam občutka, da gre za delo. Včasih pozabim, koliko je ura.
Joachim Ullrich je od leta 2012 predsednik Physikalisch-Technische Bundesanstalt, nemškega nacionalnega meroslovnega inštituta v Braunschweigu. Pred tem je bil direktor Inštituta Maxa Plancka za jedrsko fiziko v Heidelbergu, kjer je vodil oddelek za eksperimentalno kvantno dinamiko več delcev. Mednarodno je priznan ne le kot predsednik PTB, temveč tudi kot strokovnjak za kvantno fiziko in laserske poskuse na prostih elektronih, na primer v DESY v Hamburgu ali v National Accelator Laboratory SLAC v Stanfordu v ZDA. Za svoje delo je prejel več nagrad, med drugim promocijsko nagrado Gottfried Wilhelm Leibniz Nemške raziskovalne fundacije in raziskovalno nagrado Philipa Morrisa.