тенденції в автоматизації: Професор Фізико-технічного Федерального Інституту пан Ульріх відомий своїми точними годинниками, і тому є авторитетом у питанні часу. Але що таке насправді час?

Проф. д-р Йоахім Х. Ульріх: Це надзвичайно складне питання. Ми, фізики, полегшуємо собі завдання і визначаємо час, використовуючи передбачувані, повторювані процеси, такі як обертання Землі або маятник. Це дуже прагматичне визначення дав лауреат Нобелівської премії та куратор Фізико-технічного Федерального Інституту Альберт Ейнштейн. Тоді настав час, який можна зчитувати на годиннику. Однак з часів Ейнштейна ми також знали, що час відносний, наприклад, що він тече повільніше, коли ми перебуваємо в русі або в гравітаційному полі. Людське сприйняття часу також відносне. Перефразовуючи Ейнштейна: дві хвилини проведені в компанії приємної дівчини здаються дуже короткими, в той час, як дві хвилини на гарячій плиті можуть здаватися вічністю.
Крім того, є багато відкритих питань, наприклад, чи має час початок та кінець, і скільки насправді триває сьогодення в людському сприйнятті. Біологічний годинник і культурні особливості відношення до часу є надзвичайно цікавими, актуальними науковими темами.

Тенденції в автоматизації: Як можна виміряти час?

Ульріх: Наприклад, маятником. Чим коротший маятник, тим швидше він коливається і тим точніше можна виміряти час. Ще більш точними є кварцові годинники, в яких кристал коливатися під електричною напругою. Він коливається понад 30 000 разів на секунду. Найточнішими годинниками на даний момент є атомні годинники, навіть якщо самі атоми в них не коливаються. Замість цього ми використовуємо електромагнітне випромінювання, точніше мікрохвилі. Вони коливаються набагато швидше, ніж кристал кварцу, а саме приблизно дев’ять мільярдів разів на секунду. За допомогою мікрохвильового випромінювання ми збуджуємо електрони атомів цезію. І оскільки це працює лише в тому випадку, якщо випромінювання має дуже специфічну частоту коливання, ми можемо використовувати його, щоб визначити значення секунди, а також визначити його дуже точно.
Звичайно, ми повинні постійно контролювати, чи задаємо правильний ритм і чи дійсно збуджуємо електрони. Для цього ми спочатку відправляємо атоми цезію горизонтальним променем через магнітні та мікрохвильові поля, а потім за допомогою вміло розміщеного детектора рахуємо лише атоми зі збудженими електронами. У наших двох найточніших годинниках інше розміщення, тому атоми цезію вистрілюються вертикально вгору через мікрохвильове поле, як фонтан. Потім вони вдруге рухаються полем, коли падають. За допомогою цих атомних годинників ми можемо визначити значення секунди з точністю до 16 знаків після коми.

тенденції в автоматизації: Наручні або стаціонарні годинники, звичайно, не повинні бути настільки точними. Навіщо потрібна висока точність?

Ульріх: Неточність накопичується і відносно швидко. Саме тому ми можемо гарантувати високу точність протягом тривалого періоду лише з дуже точними годинниками. Крім того, точне вимірювання часу має значення, особливо для наукових тем. Однією із наших головних тем у Фізико-технічному Федеральному Інституті є, наприклад, питання про те, чи дійсно постійні природні константи, такі як, так звана константа тонкої структури, яка включає швидкість світла та постійну Планка. Однак є докази, що це не так. Якщо підозра підтвердиться, це матиме далекосяжні наслідки, оскільки багато законів і моделей засновані на природних константах. До речі, дослідники часу вже в 1930-х роках з’ясували, що точні вимірювання можуть спростувати певні припущення, коли секунда ще визначалася як частка обертання Землі. Тоді у Фізико-технічному Федеральному Інституті були введені в експлуатацію найточніші кварцові годинники свого часу. Дослідники виявили, що Земля обертається все повільніше і, насамперед, нерегулярно, а не так, як передбачалося певний час, що завжди з однаковою швидкістю.

тенденції в автоматизації: Чи існують якісь практичні застосування атомних годинників?

Ульріх: Наприклад, атомні годинники установлені на супутниках позиціювання та використовуються для американської системи GPS (Система глобального позиціювання) або російської ГЛОНАСС (Глобальна Навігаційна Супутникова Система), а також для перших супутників Європейської системи Галілео. Ці системи визначають місцеположення, використовуючи час поширення сигналу між супутником і землею, і тому необхідна дуже точна інформація про час. Геодезисти невдовзі хочуть використовувати годинники для вимірювань в космосі. Це дасть змогу з високою точністю вимірювати взаємне положення двох супутників та зробити висновки про зміни гравітаційного поля Землі і, таким чином, перенести його повністю на карту. За допомогою подібних вимірювань на Землі та ще більшільшої кількості точних годинників, у майбутньому можна було б виявити різні розподіли маси і таким чином відстежувати мінеральні ресурси. Зараз ми працюємо над такими темами разом з багатьма дослідниками у рамках кластера передового досвіду QUEST при Ганноверському університеті імені Лейбніца.

Тенденції в автоматизації: Чи мають годинники на супутниках таку саму складну структуру, що й атомні годинники Фізико-технічного Федерального Інституту?

Ульріх: Вони працюють за тим же принципом, але, безумовно, є трохи компактнішими і не повинні бути такими точними. Через попередню передачу сигналу все одно є невеликі відхилення. На сьогоднішній день можна легко купити атомні годинники для багатьох цілей. Вони коштують від кількох сотень євро до приблизно 100 000 євро для використання на Землі, однак для супутникових програм вони значно дорожчі, і завдяки складним технологіям, як правило, зазвичай багато років працюють без технічного обслуговування.