Йоахім Ульріх є головою Фізико-технічного Федерального Інституту в місті Брауншвейг. Тут тикають годинники, які є одними з найточніших годинників у світі. В інтерв’ю фізик пояснює, як вони працюють, що таке світовий час, і чому добре визначити секунду з точністю до шістнадцяти знаків після коми.
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.
тенденції в автоматизації: Кажуть, що технологія вважається зрілою. Чи може все ж таки атомний годинник, такий як з Фізико-технічного Федерального Інституту, вийти з ладу?
Ульріх: Загалом, це, звісно, можливо, але у нас є резерви. Тільки Фізико-технічному Федеральному Інституті зробив свій внесок у світовий час в якості чотирьох первинних атомних годинників. І, щоб забезпечити час для радіогодинників, наприклад, який передається через довгохвильовий передавач у Майнфлінгені поблизу Франкфурта, на місці є ще три атомні годинники, які регулярно порівнюють з годинниками Фізико-технічного Федерального Інституту.
тенденції в автоматизації: Як забезпечити, щоб годинники у всьому світі показували точний час?
Ульріх: Як уже згадувалося, існує так званий світовий час, який поширюється на 24 часові пояси і визначається приблизно 400 атомними годинниками по всьому світу. Годинники порівнюються один з одним і формується середнє значення. Менш точні годинники мають меншу вагу, ніж більш точні. І врешті-решт, перевіряється, чи відповідає це значення найкращим годинникам у світі, до яких належать і наші атомні годинники з Фізико-технічного Федерального Інституту. Значення, визначені таким чином, надаються Міжнародним бюром Метричної конвенції, BIPM (Міжнародне бюро мір і ваг), яке з 1875 року розташоване у Севрі поблизу Парижа, Франція. Зараз це відбувається раз на місяць. Важливо також, що всі атомні годинники пов’язані з однією висотою, оскільки, за Ейнштейном, час також залежить від гравітаційного поля.
Тенденції в автоматизації: Як довго поточне визначення часу залишатиметься дійсним?
Ульріх: Звісно, ще кілька років, але наступне покоління годинників уже на порозі. Ці так звані оптичні годинники, ймовірно, будуть принаймні в сто разів точнішими, ніж найкращі атомні годинники сьогодні. Вони працюють за схожим принципом. Однак випромінювання, за яким збуджуються електрони, має частоту коливань, яка в 100 000 разів вища і знаходиться у видимому діапазоні. Тому замість використання мікрохвильового випромінювання оптичні годинники працюють на світлі високоточних лазерів.
У Фізико-технічному Федеральному Інституті ми вже маємо два різниі оптичниі годинники, обидва з яких приблизно в десять разів точніші, ніж наші атомні годинники. Однак у наступні кілька років нам спочатку доведеться порівняти різні оптичні годинники в усьому світі та поспостерігати, чи всі вони однаково показують час і з якими відхиленнями. Крім того, знадобиться принаймні стільки часу, перш ніж значення секунди буде адаптовано до нових технічних можливостей.
тенденції в автоматизації: Яку роль у таких нових розробках відіграє співпраця з міжнародними партнерами?
Ульріх: Ми, метрологи, дуже тісно та конструктивно співпрацюємо на міжнародному рівні з моменту підписання Метричної конвенції в 1875 році, що я вважаю дуже приємним. Але, звичайно, є і конкуренція. Зрештою, кожен хоче мати найкращий годинник. У цьому відношенні ми досить успішні. Наші атомні годинники з фонтаном цезію є одними з найточніших годинників у світі. А в області оптичних годинників ми зараз перебуваємо у дружніх перегонах з нашим партнерським інститутом, Національним інститутом стандартів та технологій у США або скорочено NIST.
тенденції в автоматизації: Ви дуже інтенсивно займаєтеся цією темою професійно. Це також впливає на ваше особисте ставлення до часу?
Ульріх: Я вважаю час надзвичайно цінним благом. Тому я намагаюся використовувати його оптимально. Наприклад, я виконую різні завдання, які вимагають інтенсивної концентрації, по можливості блоками, тому мені не подобається, коли мене переривають, тому що це робить роботу вкрай неефективною, якщо вам доводиться починати все спочатку. Ось чому, як правило, рано вранці або на вихідних, я відчуваю себе відносно незалежним від мобільного телефону та Інтернету на таких етапах роботи.
Найважче знайти баланс між часом, який можна приділити на роботу та сім'ю. Можливо, частково це пов’язано з тим, що я дуже люблю свою роботу і часто взагалі не сприймаю її як роботу. Тоді я забуваю про час.
З 2012 року Йоахім Ульріх є головою Фізико-технічного Федерального Інституту в місті Брауншвейг, Німецького Національного Інституту Метрології. До цього він був директором Інституту ядерної фізики імені Макса Планка в Гейдельберзі, де очолював відділ "Експериментальної багаточастинкової квантової динаміки". Він не лише визнаний на міжнародному рівні як голова Фізико-технічного Федерального Інституту, а й як фахівець з квантової фізики та експериментів з лазерами на вільних електронах, наприклад, у дослідницькому центрі DESY в Гамбурзі або в Національній прискорювальній лабораторії SLAC у Стенфорді, США. Він отримав кілька нагород за свою діяльність, включаючи заохочувальну премію Готфріда Вільгельма Лейбніца від Німецького дослідницького фонду та дослідницьку премію Філіпа Морріса.