Joachim Ullrich je prezidentom inštitútu Physikalisch-Technische Bundesanstalt v Braunschweigu. Tu tikajú hodiny, ktoré patria medzi najpresnejšie hodiny na svete. Tento fyzik v rozhovore vysvetľuje, ako fungujú, s čím je spojený svetový čas a prečo je dobré určiť sekundu s presnosťou až na šestnáste desatinné miesto.
trends in automation: Profesor Ullrich, inštitút Physikalisch-Technische Bundesanstalt je známy svojimi presnými hodinami a z tohto pohľadu je autoritou v otázkach času. Ale čo je vlastne čas?
Prof. Dr. Joachim H. Ullrich: Toto je veľmi komplexná otázka. My fyzici si to uľahčujeme a definujeme čas pomocou predvídateľných, opakujúcich sa procesov, ako je rotácia Zeme alebo kyvadla. Túto veľmi pragmatickú definíciu stanovil už laureát Nobelovej ceny a kurátor PTB Albert Einstein. Potom je tu čas, ktorý vidíte na hodinách. Od Einsteina však vieme aj to, že čas je relatívny, napríklad že plynie pomalšie, keď sme v pohybe alebo v gravitačnom poli. Aj ľudské vnímanie času je relatívne. Opäť podľa Einsteina: dve minúty v spoločnosti milého dievčaťa sa zdajú veľmi krátke, zatiaľ čo dve minúty na horúcej peci sa môžu zdať nekonečne dlhé.
Okrem toho existuje veľa otvorených otázok, napríklad či má čas začiatok alebo koniec a ako dlho vlastne trvá súčasnosť v ľudskom vnímaní. Aj biologické hodiny a kultúrne zvláštnosti súvisiace s časom sú mimoriadne zaujímavé a aktuálne témy vedy.
trends in automation: Ako sa dá merať čas?
Ullrich: Napríklad kyvadlom. A platí, že čím je kyvadlo kratšie, tým rýchlejšie sa pohybuje a tým presnejšie dokáže zmerať čas. Ešte presnejšie sú hodinky, v ktorých sa kryštál rozkmitáva pôsobením elektrického napätia. Kmitá viac ako 30 000-krát za sekundu. Najpresnejšie hodiny sú v súčasnosti atómové hodiny, aj keď samotné atómy nekmitajú. Využíva sa pri nich elektromagnetické žiarenie, presnejšie mikrovlny. Kmitajú oveľa rýchlejšie ako kremenné kryštály, asi deväťmiliárdkrát za sekundu. Pomocou mikrovlnného žiarenia sa budia elektróny atómov cézia. A pretože to funguje, iba ak má žiarenie veľmi špecifickú frekvenciu, dá sa z toho odvodiť a veľmi presne určiť hodnota sekundy.
Samozrejme, musíme neustále kontrolovať, či je nastavený správny rytmus a či sa elektróny naozaj budia. Preto sa najskôr atómy cézia vyšlú v horizontálnom lúči cez magnetické a mikrovlnné polia a potom sa pomocou vhodne umiestneného detektora spočítajú iba atómy s nabudenými elektrónmi. V oboch našich najpresnejších hodinách máme iné usporiadanie a vystreľujeme atómy cézia ako fontánu vertikálne nahor cez mikrovlnné pole. Pri páde nadol potom prejdú poľom druhýkrát. Pomocou týchto atómových hodín môžeme určiť sekundu s presnosťou až na 16. desatinné miesto.
trends in automation: Takúto presnosť nemusia mať náramkové hodinky ani hodiny na stanici. Na čo je potrebná taká vysoká presnosť?
Ullrich: Nepresnosť sa kumuluje pomerne rýchlo. Iba s veľmi presnými hodinkami môžeme dlhodobo zaručiť vysokú úroveň presnosti. Presné meranie času je okrem toho veľmi dôležité najmä pre vedu. Jednou z našich hlavných tém v PTB je napríklad to, či sú prírodné konštanty, ako napríklad takzvaná konštanta jemnej štruktúry, ktorá okrem iného zahŕňa rýchlosť svetla a Planckovu konštantu, skutočne konštantné. Existujú určité dôkazy, že to tak nie je. Ak je to tak, malo by to ďalekosiahle následky, pretože veľa zákonov a modelov je založených na prírodných konštantách. Mimochodom, výskumníci zaoberajúci sa časom si už v 30. rokoch minulého storočia, keď bola sekunda definovaná len ako zlomok zemskej rotácie, uvedomili, že presné merania môžu vyvrátiť niektoré predpoklady, ktoré sa považovali za potvrdené. V tom čase boli tu v PTB uvedené do prevádzky vtedy najpresnejšie hodiny s kremenným kryštálom. Vedci zistili, že Zem sa otáča čoraz pomalšie a aj nepravidelne, nie rovnakou rýchlosťou, ako sa to pri vtedajšej definícii času predpokladalo.
trends in automation: Existujú praktické aplikácie, kde sa uplatňujú atómové hodiny?
Ullrich: Atómové hodiny tikajú napríklad na lokalizačných satelitoch pre americký systém GPS alebo ruský GLONASS a tiež pre prvé satelity európskeho systému Galileo. Tieto systémy určujú polohy pomocou času šírenia signálu medzi satelitom a Zemou, a preto potrebujú veľmi presné informácie o čase. Aj geodeti budú čoskoro chcieť merať z vesmíru pomocou hodín. Je tak možné s vysokou presnosťou merať relatívnu polohu dvoch satelitov a vyhodnotiť zmeny v gravitačnom poli, a tak úplne zmapovať Zem. S podobnými meraniami na Zemi a ešte presnejšími hodinami by sa v budúcnosti mohli dokonca zistiť rôzne distribúcie hmotnosti, a tak by sa dali vystopovať zdroje nerastov. Týmito témami sa v súčasnosti zaoberáme spolu s mnohými výskumníkmi z centra QUEST na univerzite Leibniz Universität v Hannoveri.
trends in automation: Majú hodiny v satelitoch rovnako zložité štruktúry ako atómové hodiny v PTB?
Ullrich: Fungujú na rovnakom princípe, ale sú určite o niečo kompaktnejšie a nemusia byť až také presné. Doteraz sa pri prenose signálu aj tak vyskytovali malé odchýlky. Atómové hodiny si dnes môžete ľahko kúpiť na mnohé účely. Pre aplikácie na Zemi stoja od 100 do 100 000 eur. Pre satelitné aplikácie sú výrazne drahšie. A vďaka sofistikovanej technike zvyčajne fungujú bezúdržbovo mnoho rokov.
trends in automation: Hovoríte, že technika je sofistikovaná. Môžu napriek tomu atómové hodiny, napríklad tu v PTB, zlyhať?
Ullrich: V zásade je to samozrejme možné, máme však zálohu. Len v PTB tikajú štyri primárne atómové hodiny ako náš príspevok k svetovému času. A aby sa napríklad odovzdali hodinám ovládaným rádiom informácie o čase pomocou dlhovlnného vysielača v Mainflingene pri Frankfurte, je v prevádzke ďalších troje atómových hodín, ktoré sa pravidelne porovnávajú s hodinami v PTB.
trends in automation: Ako sa zabezpečuje, aby hodiny fungovali správne po celom svete?
Ullrich: Ako už bolo spomenuté, existuje takzvaný svetový čas, ktorý platí pre 24 časových pásiem a stanovuje sa zhruba 400 atómovými hodinami na celom svete. Hodiny sa navzájom porovnajú a vytvorí sa priemer. Menej presné hodiny majú menšiu váhu ako presnejšie hodiny. Nakoniec sa skontroluje, či táto hodnota zodpovedá najlepším hodinám na svete, ku ktorým patria aj naše atómové hodiny v PTB. Takto určené hodnoty zverejňuje Medzinárodný úrad pre miery a váhy (BIPM) ktorý od roku 1875 sídli v Sèvres pri Paríži vo Francúzsku, ako svetový čas. To sa v súčasnosti robí raz za mesiac. Je tiež dôležité, aby bola pre všetky atómové hodiny zohľadnená nadmorská výška, pretože čas podľa Einsteina závisí aj od gravitačného poľa.
trends in automation: Ako dlho bude zrejme platná súčasná definícia času?
Ullrich: Určite ešte niekoľko rokov, ale ďalšia generácia hodín je už vo výhľade. Takzvané optické hodiny budú zrejme minimálne stokrát presnejšie ako najlepšie súčasné atómové hodiny. Fungujú na podobnom princípe. Žiarenie, ktorým budíme elektróny, má však frekvenciu, ktorá je 100 000-krát vyššia a nachádza sa vo viditeľnom rozsahu. Namiesto mikrovlnného žiarenia sa pri optických hodinách využíva svetlo z veľmi presných laserov.
V PTB už máme dvoje optických hodín, oboje sú asi desaťkrát presnejšie ako naše atómové hodiny. V najbližších rokoch však budeme musieť porovnať rôzne optické hodiny po celom svete a sledovať, či tikajú rovnako a s akými odchýlkami. Asi tak dlho bude trvať, kým sa definícia sekundy neprispôsobí novým technickým možnostiam.
trends in automation: Akú úlohu má pri takomto novom vývoji spolupráca s medzinárodnými partnermi?
Ullrich: My metrológovia veľmi úzko a konštruktívne spolupracujeme na medzinárodnej úrovni od podpísania metrickej konvencie v roku 1875. Veľmi sa mi to páči. Ale, samozrejme, existuje aj konkurencia. Na konci dňa bude mať najlepšie hodinky každý. V tomto ohľade sme dosť úspešní. Naše atómové fontánové hodiny patria medzi najpresnejšie na svete. A pri vývoji optických hodín sme momentálne asi zarovno s naším partnerským inštitútom National Institute of Standard and Technology (NIST) v USA.
trends in automation: Téme času sa venujete v práci veľmi intenzívne. Ovplyvňuje to aj váš osobný vzťah k času?
Ullrich: Čas považujem za mimoriadne cenné aktívum. Preto sa ho snažím využiť na maximum. Napríklad ak sa dá, na úlohách, ktoré si vyžadujú intenzívne sústredenie, pracujem v blokoch. Veľmi nerád ich prerušujem, pretože práca je nesmierne neefektívna, ak musíte začať odznova. Preto sa pri takejto práci, zvyčajne skoro ráno alebo cez víkend, vyhýbam mobilnému telefónu a internetu.
Najťažšie je skĺbiť pracovný čas s rodinou. Je to pravdepodobne preto, že svoju prácu robím rád a často ju vôbec nevnímam ako prácu. Potom už zabúdam na čas.
Joachim Ullrich je od roku 2012 prezidentom nemeckého metrologického inštitútu Physikalisch-Technische Bundesanstalt v Braunschweigu. Predtým bol riaditeľom Inštitútu Maxa Plancka pre jadrovú fyziku v Heidelbergu a bol vedúcim oddelenia Experimentálna viacčasticová kvantová dynamika. Je medzinárodne uznávaný ako prezident PTB, ale aj ako expert na kvantovú fyziku a experimenty s lasermi s voľnými elektrónmi, napríklad v centre DESY v Hamburgu alebo v laboratóriu SLAC National Accelator Laboratory v Stanforde v USA. Za svoju prácu získal niekoľko ocenení vrátane Gottfried-Wilhelm-Leibniz-Förderpreis nemeckej nadácie Deutschen Forschungsgemeinschaft a ceny Philipp Morris Forschungspreis.