Joachim Ullrich เป็นประธาน Physikalisch-Technische Bundesanstalt ในเมือง Braunschweig ที่นี่ นาฬิกาซึ่งเป็นหนึ่งในนาฬิกาที่แม่นยำที่สุดในโลกกำลังเดินไป ในการให้สัมภาษณ์ นักฟิสิกส์คนดังกล่าวอธิบายว่ามันทำงานอย่างไร เวลาโลกคืออะไร และเหตุใดจึงควรกำหนดวินาทีที่มีทศนิยมสิบหกตำแหน่งอย่างแม่นยำ
trends in automation: ศาสตราจารย์ Ullrich, Physikalisch-Technische Bundesanstalt เป็นที่รู้จักในด้านนาฬิกาที่แม่นยำ และดังนั้นจึงเป็นผู้อิทธิพลในเรื่องเวลา แต่เวลาจริงๆ คืออะไร
ศ.ดร. Joachim H. Ullrich: นี่เป็นคำถามที่ซับซ้อนมาก พวกเรานักฟิสิกส์คิดแบบง่ายๆ และนิยามเวลาโดยใช้กระบวนการที่คาดการณ์ได้และเกิดขึ้นซ้ำ เช่น การหมุนของโลกหรือลูกตุ้ม อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ผู้ชนะรางวัลโนเบลและภัณฑารักษ์ของ PTB เป็นผู้มอบคำจำกัดความที่เป็นประโยชน์อย่างยิ่งนี้ แล้วก็มีคำว่า เวลา ซึ่งเป็นสิ่งที่คุณสามารถได้จากนาฬิกา อย่างไรก็ตาม ด้วยความรู้ของไอน์สไตน์ เรารู้ด้วยว่าเวลามีความสัมพัทธ์ เช่น เวลาเคลื่อนที่ช้าลงเมื่อเราเคลื่อนที่หรืออยู่ในสนามโน้มถ่วง การรับรู้ของมนุษย์เกี่ยวกับเวลานั้นก็มีความสัมพันธ์เช่นกัน อ้างอิงจากไอน์สไตน์มาอีกที: เวลาสองนาทีในการพูดคุยกับเด็กสาวแสนน่ารักนั้นดูเหมือนสั้นมาก ในขณะที่สองนาทีบนเตาไฟร้อนอาจรู้สึกเหมือนเป็นนิรันดร์
นอกจากนี้ ยังมีคำถามปลายเปิดอีกมากมาย เช่น เวลามีจุดเริ่มต้นหรือจุดสิ้นสุดหรือไม่ และปัจจุบันดำรงอยู่นานแค่ไหนในการรับรู้ของมนุษย์ นาฬิกาชีวภาพและลักษณะเฉพาะทางวัฒนธรรมในการจัดการกับเวลายังเป็นหัวข้อทางวิทยาศาสตร์ที่น่าสนใจอย่างมากในปัจจุบัน
trends in automation: เราจะวัดเวลาได้อย่างไร
Ullrich: เช่น ใช้ลูกตุ้ม ยิ่งลูกตุ้มสั้นเท่าไหร่ก็ยิ่งแกว่งเร็วขึ้นเท่านั้น และสามารถวัดเวลาได้แม่นยำยิ่งขึ้น วิธีที่แม่นยำยิ่งขึ้นไปอีก คือ นาฬิการะบบควอทซ์ ซึ่งทำให้คริสตัลสั่นด้วยแรงดันไฟฟ้า โดยสั่นสะเทือนมากกว่า 30,000 ครั้งต่อวินาที ในปัจจุบันนี้ นาฬิกาที่แม่นยำที่สุด คือ นาฬิกาอะตอม แม้ว่าอะตอมจะไม่สั่นสะเทือนก็ตาม แต่เราใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแทน ซึ่งในที่นี่ก็ คือ คลื่นไมโครเวฟ พวกมันสั่นเร็วกว่าคริสตัลควอตซ์มาก ประมาณเก้าพันล้านครั้งต่อวินาที ด้วยการแผ่รังสีไมโครเวฟ เรากระตุ้นอิเล็กตรอนในอะตอมของซีเซียม และเนื่องจากจะได้ผลก็ต่อเมื่อการแผ่รังสีมีความถี่ในการสั่นสะเทือนที่จำเพาะมาก เราจึงสามารถใช้รังสีนี้เพื่อกำหนดค่าของวินาทีและกำหนดได้อย่างแม่นยำมาก
แน่นอน เราต้องคอยตรวจสอบอยู่เสมอว่า เราตั้งจังหวะที่ถูกต้อง และกระตุ้นอิเล็กตรอนจริงๆ ในการทำเช่นนี้ ก่อนอื่น เราส่งอะตอมของซีเซียมในลำแสงแนวนอนผ่านสนามแม่เหล็กและไมโครเวฟ จากนั้น เรานับเฉพาะอะตอมที่มีอิเล็กตรอนที่ได้รับการกระตุ้นเท่านั้น ด้วยเครื่องตรวจจับตำแหน่งที่ชาญฉลาด ในนาฬิกาสองเรือนที่แม่นยำที่สุดของเรา เรามีการจัดเรียงที่แตกต่างกัน และยิงอะตอมซีเซียมในแนวตั้งผ่านช่องไมโครเวฟเหมือนน้ำพุ จากนั้นพวกมันก็วิ่งผ่านสนามเป็นครั้งที่สองขณะที่ตกลง ด้วยนาฬิกาอะตอมเหล่านี้ เราสามารถกำหนดตำแหน่งทศนิยมของวินาทีได้ถึง 16 ตำแหน่งอย่างแม่นยำ
trends in automation: นาฬิกาข้อมือหรือนาฬิกาประจำสถานีไม่จำเป็นต้องแม่นยำขนาดนั้น คุณต้องการความแม่นยำสูงเพื่ออะไร
Ullrich: ความไม่แม่นยำเริ่มสะสมและเป็นไปค่อนข้างเร็ว นั่นคือเหตุผลที่เราสามารถรับประกันความแม่นยำสูงในระยะยาวด้วยนาฬิกาที่แม่นยำมากเท่านั้น นอกจากนี้ การวัดเวลาที่แน่นอนยังมีบทบาทสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับหัวข้อทางวิทยาศาสตร์ จุดโฟกัสจุดหนึ่งของเราที่ PTB คือ ตัวอย่างเช่น คำถามเกี่ยวกับค่าคงที่ธรรมชาติ อย่างที่ว่าค่าคงที่ของโครงสร้างละเอียด ซึ่งรวมถึงความเร็วของแสงและค่าคงที่ของพลังค์นั้นคงที่จริงหรือไม่ มีหลักฐานว่าไม่เป็นเช่นนั้น หากข้อสงสัยได้รับการยืนยัน สิ่งนี้จะมีผลที่ตามมาอย่างมาก เนื่องจากกฎและแบบจำลองจำนวนมากอิงจากค่าคงที่ตามธรรมชาติ สมัยที่วินาทียังคงถูกกำหนดให้เป็นเสี้ยวหนึ่งของการหมุนของโลก นักวิจัยเวลาค้นพบตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1930 ว่า การวัดที่แม่นยำสามารถหักล้างสมมติฐานบางอย่างได้ ในเวลานั้น นาฬิกาควอตซ์ที่แม่นยำที่สุดในยุคนั้นได้ถูกนำมาใช้งานที่นี่ที่ PTB นักวิจัยพบว่าโลกหมุนช้าลงเรื่อย ๆ ทั้งยังไม่สม่ำเสมอ และไม่เป็นไปตามที่สันนิษฐานไว้สำหรับคำจำกัดความของเวลา กล่าวคือ โลกไม่ได้หมุนด้วยด้วยความเร็วเท่าเดิมแต่อย่างใด
แนวโน้มในระบบอัตโนมัติ: มีการใช้งานนาฬิกาอะตอมจริงหรือไม่
Ullrich: นาฬิกาอะตอมเดินเครื่องในดาวเทียมระบุตำแหน่งสำหรับระบบ GPS ของอเมริกา หรือดาวเทียม GLONASS ของรัสเซีย และสำหรับดาวเทียมดวงแรกของยุโรปก็คือ Galileo ระบบเหล่านี้ จะกำหนดตำแหน่งโดยใช้ระยะเวลาในการแพร่กระจายสัญญาณระหว่างดาวเทียมกับโลก ดังนั้น จึงต้องการข้อมูลเวลาที่แม่นยำมาก นักธรณีวิทยาก็ต้องการใช้นาฬิกาเพื่อวัดในอวกาศ ซึ่งช่วยให้สามารถวัดตำแหน่งสัมพัทธ์ของดาวเทียมสองดวงได้อย่างแม่นยำ และสามารถอนุมานการเปลี่ยนแปลงของสนามโน้มถ่วงของโลกและทำแผนที่ได้อย่างสมบูรณ์ ด้วยการวัดที่คล้ายคลึงกันบนโลกและนาฬิกาที่แม่นยำยิ่งขึ้น เราจะสามารถตรวจพบการกระจายมวลที่แตกต่างกันได้ในอนาคต ช่วยให้สามารถติดตามทรัพยากรแร่ได้ ขณะนี้เรากำลังทำงานในหัวข้อดังกล่าวร่วมกับนักวิจัยหลายคนใน QUEST Cluster of Excellence ที่ Leibniz University Hannover
trends in automation: นาฬิกาบนดาวเทียมมีโครงสร้างที่ซับซ้อนเหมือนกันกับนาฬิกาอะตอมของ PTB หรือไม่
Ullrich: มันทำงานด้วยหลักการเดียวกัน แต่มีขนาดกะทัดรัดกว่าเล็กน้อยและไม่จำเป็นต้องแม่นยำมาก เนื่องจากการส่งสัญญาณก่อนหน้านี้ มีการเบี่ยงเบนเล็กน้อยอยู่แล้ว ทุกวันนี้สามารถซื้อนาฬิกาอะตอมเพื่อจุดประสงค์หลายอย่างได้อย่างง่ายดาย ราคาอยู่ระหว่าง 100 ยูโร และประมาณ 100,000 ยูโรสำหรับการใช้งานบนโลก แน่นอนว่า สำหรับการใช้งานดาวเทียมมีราคาแพงกว่ามาก และต้องขอบคุณเทคโนโลยีที่ซับซ้อน มักจะไม่ต้องบำรุงรักษาเป็นเวลาหลายปี
trends in automation: คุณบอกว่าเทคโนโลยีนี้มีความเพียบพร้อม นาฬิกาอะตอม เช่น นาฬิกาที่ PTB จะยังล้มเหลวได้หรือไม่
Ullrich: แน่นอน ตามหลักการแล้วย่อมเป็นไปได้ แต่เรามีสำรอง ที่ PTB เพียงอย่างเดียว นาฬิกาอะตอมหลักสี่ตัวเดินเพื่อบอกเวลาโลก ตัวอย่างเช่น เพื่อส่งเวลาสำหรับนาฬิกาควบคุมด้วยคลื่นวิทยุซึ่งส่งผ่านเครื่องส่งคลื่นยาวในไมน์ฟลิงเงนใกล้แฟรงก์เฟิร์ต มีนาฬิกาอะตอมอีกสามเรือน ซึ่งจะปรับเทียบกับนาฬิกา PTB อยู่เสมอ
trends in automation: คุณมั่นใจได้อย่างไรว่านาฬิกาทั่วโลกถูกต้อง
Ullrich: ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว มีเวลาที่เรียกว่าเวลาโลก ซึ่งใช้กับ 24 โซนเวลา และกำหนดโดยนาฬิกาอะตอมประมาณ 400 เรือนทั่วโลก นาฬิกกจะเปรียบเทียบระหว่างกันและสร้างค่าเฉลี่ยขึ้น นาฬิกาที่มีความแม่นยำน้อยกว่าจะมีน้ำหนักน้อยกว่านาฬิกาที่แม่นยำกว่า สุดท้าย มีการตรวจสอบว่าค่านี้สอดคล้องกับนาฬิกาที่ดีที่สุดในโลกหรือไม่ ซึ่งหมายรวมถึงนาฬิกาอะตอมของเราที่ PTB ด้วย ค่าที่กำหนดในลักษณะนี้ได้รับการเผยแพร่เป็นเวลาโลก โดยสำนักงานระหว่างประเทศของอนุสัญญามาตรวัด BIPM ซึ่งมีฐานอยู่ใน Sèvres ใกล้กรุงปารีสประเทศฝรั่งเศสตั้งแต่ปี ค.ศ. 1875 ซึ่งปัจจุบันนี้ จะเกิดขึ้นเดือนละครั้ง สิ่งสำคัญคือนาฬิกาอะตอมทั้งหมดสัมพันธ์กับระดับความสูงเดียวกัน เพราะเวลาก็ขึ้นอยู่กับสนามโน้มถ่วงด้วย อ้างอิงจากไอน์สไตน์
trends in automation: การกำหนดเวลาปัจจุบันจะมีผลนานแค่ไหน
Ullrich: ยังอีกหลายปี แต่นาฬิการุ่นต่อไปก็มีให้เห็นแล้ว นาฬิกาที่เรียกว่า นาฬิกาออปติคัล เหล่านี้มีแนวโน้มที่จะมีความแม่นยำมากกว่านาฬิกาอะตอมที่ดีที่สุดในปัจจุบันอย่างน้อยร้อยเท่า ทำงานด้วยหลักการที่คล้ายคลึงกัน อย่างไรก็ตาม การแผ่รังสีที่เรากระตุ้นอิเล็กตรอนที่นี่มีความถี่การสั่นที่สูงกว่า 100,000 เท่า และอยู่ในช่วงที่มองเห็นได้ แทนที่จะใช้รังสีไมโครเวฟ นาฬิกาออปติคัลทำงานโดยใช้แสงจากเลเซอร์ที่มีความแม่นยำสูง
ที่ PTB เรามีนาฬิกาออปติคัลสองแบบอยู่แล้ว ซึ่งทั้งสองแบบมีความแม่นยำมากกว่านาฬิกาอะตอมของเราประมาณสิบเท่า อย่างไรก็ตาม ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า เราจะต้องเปรียบเทียบนาฬิกาออปติคัลต่างๆ ทั่วโลกก่อน และสังเกตว่านาฬิกาเหล่านั้นทำงานในลักษณะเดียวกันหรือไม่และในระดับใด คาดว่าน่าจะใช้เวลานานก่อนที่นิยามของวินาทีจะถูกปรับให้เข้ากับความเป็นไปได้ทางเทคนิคใหม่
trends in automation: ความร่วมมือกับพันธมิตรระหว่างประเทศมีบทบาทอย่างไรในการพัฒนาใหม่เช่นนี้
Ullrich: พวกเรานักมาตรวิทยาได้ทำงานร่วมกันระหว่างประเทศอย่างใกล้ชิดและสร้างสรรค์ นับตั้งแต่ข้อตกลงเรื่องมาตรวัดได้รับการลงนามในปี 1875 ซึ่งผมคิดว่าน่าพอใจมาก แต่แน่นอนว่ายังมีการแข่งขัน ในท้ายที่สุด ทุกคนต้องการนาฬิกาที่ดีที่สุด ในเรื่องนั้นเราค่อนข้างประสบความสำเร็จ นาฬิกาอะตอมน้ำพุของเราเป็นหนึ่งในนาฬิกาที่แม่นยำที่สุดในโลก และในสาขานาฬิกาออปติคัล ขณะนี้เราอยู่ในการแข่งขันแบบเป็นกันเองกับสถาบันพันธมิตรของเรา National Institute of Standard and Technology หรือเรียกสั้นๆ ว่า NIST ในสหรัฐอเมริกา
trends in automation: คุณทำงานเข้มข้นกับหัวข้อนี้อย่างมืออาชีพ นั่นมีอิทธิพลต่อความสัมพันธ์ส่วนตัวของคุณกับเวลาหรือไม่
Ullrich: ผมคิดว่าเวลาเป็นสิ่งที่มีค่าอย่างยิ่ง ดังนั้นผมจึงพยายามใช้มันอย่างเหมาะสมที่สุด ตัวอย่างเช่น ผมทำงานต่างๆ ที่ต้องใช้สมาธิอย่างเข้มข้นอย่างต่อเนื่องที่สุดถ้าเป็นไปได้ ผมไม่ชอบถูกขัดจังหวะเพราะมันทำให้งานเสียประสิทธิภาพ เมื่อคุณต้องเริ่มต้นใหม่ครั้งแล้วครั้งเล่า นั่นเป็นเหตุผลที่ผมห่างจากโทรศัพท์มือถือและอินเทอร์เน็ตในระหว่างขั้นตอนการทำงานดังกล่าว ซึ่งมักจะเป็นตอนเช้าตรู่หรือวันหยุดสุดสัปดาห์
ส่วนที่ยากที่สุดคือการสร้างสมดุลระหว่างเวลาทำงานกับเวลาของครอบครัว ส่วนหนึ่งอาจเป็นเพราะว่าผมชอบงานของตัวเองมาก และมักจะไม่ได้มองว่าเป็นงานเลย จากนั้น ผมก็ลืมเวลา
Joachim Ullrich เป็นประธาน Physikalisch-Technische Bundesanstalt ใน Braunschweig สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติของเยอรมนี ตั้งแต่ปี 2012 ก่อนหน้านั้น เขาเป็นผู้อำนวยการสถาบัน Max Planck สำหรับฟิสิกส์นิวเคลียร์ในไฮเดลเบิร์ก ซึ่งเขาเป็นหัวหน้าแผนก "การทดลองหลายอนุภาคเชิงควอนตัม" เขาไม่เพียงแต่ได้รับการยอมรับในระดับสากลในฐานะประธาน PTB เท่านั้น แต่ยังเป็นผู้เชี่ยวชาญด้านฟิสิกส์ควอนตัมและการทดลองเกี่ยวกับเลเซอร์อิเล็กตรอนอิสระ เช่น ที่ DESY ในฮัมบูร์กหรือที่ SLAC National Accelerator Laboratory ในสแตนฟอร์ด สหรัฐอเมริกา เขาได้รับรางวัลหลายรางวัลสำหรับผลงานของเขา รวมทั้งรางวัลส่งเสริม Gottfried Wilhelm Leibniz จากมูลนิธิการวิจัยแห่งเยอรมนี และรางวัล Philipp Morris Research Prize