Joachim Ullrich 是位在布倫瑞克的德國聯邦物理技術研究院 (PTB) 的院長。這裡滴答作響的時鐘是世界上最精確的時鐘之一。在這次採訪中，這位物理學家解釋了這些時鐘是如何工作的，這與協調世界時間有什麼關係，以及定義一個二至十六位小數點的原因。
trends in automation：Ullrich 教授，PTB 以其精確的時鐘而聞名，因此公認是時間方面的權威。但是時間到底是什麼？
Joachim H. Ullrich 博士教授：這是一個非常複雜的問題。我們物理學家都盡量簡化這個問題，並使用可預測的循環過程來定義時間，例如地球自轉或鐘擺。諾貝爾獎得獎者和物理技術研究院院長亞伯特·愛因斯坦，給時間下了一個非常實用的定義：「時間就是您在時鐘上看到的東西。」 然而，自從愛因斯坦以來，我們也知道時間是相對的。例如，當我們在運動或處在重力場域中時，時間走得更慢。人類對時間的認知也是相對的。這是愛因斯坦經常被引用的另一句話：「當您坐在熱爐子上兩分鐘，感覺就像兩個小時。但是，當您和漂亮女孩聊上兩個小時，感覺就像兩分鐘。這就是相對論！」
還有許多未回答的問題，例如時間是否有起點或終點，以及在人類的認知中，現在還能持續多久。人體生物時鐘和我們如何對待時間的文化差異，也是目前科學界非常有趣的話題。
trends in automation：您如何測量時間？
Ullrich：例如，用鐘擺。鐘擺越短，擺動越快，測量時間就越準確。更精確的是石英鐘，其中電荷讓晶體能每秒振盪 30,000 次以上。我們目前擁有的最精確的時鐘是原子鐘，即使原子本身並不振盪。相反地，我們利用電磁輻射，更準確地可說是利用微波。微波的振盪速度比石英晶體快得多，大約每秒 90 億次。我們利用微波輻射來激化銫原子的電子。因為這只在輻射具有非常特定的振盪頻率時才起作用，所以我們可以用它來定義和精確地確定一秒鐘的值。
當然，我們必須不斷檢查我們是否設定了正確的時鐘脈衝，以及是否真的激化了電子。為了做到這一點，我們首先透過磁場和微波場以水平光束發射銫原子，然後用一個仔細定位的探測器只計算帶有激化電子的原子。在我們兩個最精確的時鐘 CSF1 和 CSF2 中，我們有不同的佈局，像噴泉一樣透過微波場向上發射銫原子。這些原子在向下返回的途中第二次穿過微波場。有了這些原子鐘，我們可以精確地把一秒鐘定義到十六位小數。
trends in automation：手錶或座鐘不需要如此精確。那我們為什麼需要它？
Ullrich：誤差有累積效應，而且發生得相對較快。為了保證長期的高精度，我們需要非常精確的時鐘。準確計時在科學界尤其重要。我們在物理學方面的關鍵任務之一，是研究精細結構常數 (包括光速和普朗克常數) 等基本物理常數是否真的是常數。證據顯示情況並非如此。如果證實了這個理論，將會產生深遠的影響，因為許多定律和模型都是以這些基本物理常數為基礎。
早在 20 世紀 30 年代，時間研究人員就曾經歷過被精確測量打破的所謂安全假設，當時第二個假設仍被定義為地球自轉的一部分。我們研究院調試的石英鐘是當時最精確的時鐘。研究人員發現，地球的自轉速度正在減慢，變化很大，而且並不總是像現有的時間定義假設的那樣以相同的速度運動。
trends in automation：原子鐘也有實際用途嗎？
Ullrich：例如，美國 GPS 系統、或俄羅斯 GLONASS 的定位衛星、以及歐洲伽利略系統的第一批衛星都使用原子鐘。這些系統利用信號在衛星和地球之間的傳輸時間來辨識位置，因此需要非常精確的時間規範。還有一些在不久後使用時鐘進行太空測量的計畫。這將達到對兩顆衛星的相對位置進行高精度的測量，它們的變化可以用來完整繪製地球重力場域。有了地球上類似的測量和更精確的時鐘，甚至有可能探測到不同的物質分佈，以在未來追蹤礦物資源。這些是我們目前正與漢諾威大學 QUEST 卓越小組的其他研究人員一起研究的課題。
trends in automation：衛星上的時鐘是否具有與 PTB 原子鐘相同的複雜結構？
Ullrich：它們根據同樣的原理工作，但是稍微密集一點，不需要那麼精確。在任何情況下，先前的信號傳輸都會導致微小的偏差。如今可以輕易買到原子鐘，用途十分廣泛。它們在地球上的使用成本在幾百到大概 10 萬歐元之間。對於衛星應用來說，它們要貴得多，而且受惠於先進的技術，通常可以在不需要任何維護的情況下運作很多年。
trends in automation：您說這項技術很複雜。然而，像 PTB 裡這樣的原子鐘會失靈嗎？
Ullrich：當然有可能，但是我們有備用原子鐘。光是在我們研究院，我們就有四個主要原子鐘在正常運轉，它們是協調世界時間的一部分。例如，為了提供時間給無線電時鐘，無線電波從法蘭克福附近的 Mainflingen 用長波發射機發射出來，現場還有另外三個原子鐘，它們定期與我們的時鐘同步。
trends in automation：您如何確保全世界的時鐘都是正確的？
Ullrich：正如我之前提到的，我們有所謂的協調世界時間，它有效於 24 個時區，由全世界大約 400 個原子鐘決定。這些時鐘相互比較，並產生平均值。不精確的時鐘比較精確的時鐘具有更低的權重。然後檢查這個值，以確定它是否與世界上最好的時鐘互相符合，包括我們在 PTB 的原子鐘。自 1875 年以來，位於巴黎附近塞夫爾的國際度量衡局 (BIPM)，將在此過程中確定的值發佈為世界標準時間。每月發佈一次。同樣重要的是，所有原子鐘都要考量高度，因為根據愛因斯坦的說法，時間受重力場域的影響。
trends in automation：目前的時間定義還有多長的有效時間？
Ullrich：當然還有幾年，儘管下一代時鐘已經問世。這些所謂的光學時鐘，可能比目前最好的原子鐘至少精確幾百倍。它們按照類似的原則運轉。然而，我們在光學時鐘裡用來激化電子的輻射的振盪頻率要高 100,000 倍，並且在可見光範圍內。與
微波輻射不同，光學時鐘依賴高精度雷射光儀器射出的光運轉。
在 PTB，我們已經有了兩種不同的光學時鐘，它們都比我們的原子鐘精確十倍左右。然而，在接下來的幾年裡，我們將不得不比較和觀察世界各地不同的光學時鐘，以確定它們是否都同步運轉，以及誤差有多大。這至少需要與定義一秒鐘同樣長的時間來適應新的技術可能性。
trends in automation：在這類新開發中，與國際夥伴的合作發揮了什麼作用？
Ullrich：自從 1875 年簽署《米制公約》以來，我們計量學家一直密切且富有建設性地合作，我認為這很好。當然，也有競爭。總而言之，每個人都想擁有最好的時鐘。在這方面，我們非常成功。我們的噴泉原子鐘是世界上最精確的時鐘之一。在光學時鐘領域，我們目前正與我們的合作夥伴美國國家標準暨技術研究院 (NIST) 進行一場良性競爭。
trends in automation：從專業角度而言，您在這個方面非常努力。您的工作會影響您個人對時間的態度嗎？
Ullrich：我認為時間是極其寶貴的資產。因此，我盡量明智地使用它。例如，如果可能的話，我會完成各種需要全身心投入的任務。在這種情況下，我不喜歡被打擾，因為如果不得不重新開始，那工作效率就會非常低。我通常傾向於在清晨或週末這樣工作，並且很少使用手機和網路。
最困難的事情，是如何平衡花在工作和陪伴家人上的時間。部分原因是因為我熱愛我的工作，而且經常不把它視為工作。我有時會忘記時間。
Joachim Ullrich 自 2012 年以來，一直擔任位在布倫瑞克的德國聯邦物理技術研究院 (PTB) 院長。在此之前，他是海德堡馬克斯普朗克核物理研究所的所長，並領導實驗性的少粒子量子動力學部門。他不僅是國際知名的聯邦物理技術研究院院長，也是量子物理和自由電子雷射光實驗領域的專家，這些實驗是在漢堡的 DESY 和美國史丹佛的 SLAC 國家加速器實驗室進行的。他的工作獲得了許多獎項，包括德國研究基金會 (DFG) 的 Gottfried Wilhelm Leibniz 獎和 Philip Morris 研究獎。