xu hướng tự động hóa: Giáo sư Ullrich, Physikalisch-Technische Bundesanstalt được biết đến với đồng hồ chính xác và do đó là một cơ quan có thẩm quyền về thời gian. Nhưng thời gian thực sự là gì?
Gíao sư tiến sĩ Joachim H. Ullrich: Đây là một câu hỏi rất phức tạp. Các nhà vật lý học chúng ta dễ dàng xác định thời gian bằng cách sử dụng các quá trình lặp lại, có thể đoán trước được, chẳng hạn như chuyển động quay của trái đất hoặc con lắc. Định nghĩa rất thực dụng này đã được truyền lại bởi người đoạt giải Nobel và người phụ trách PTB, Albert Einstein. Sau đó, đã đến thời gian, mà bạn có thể đọc đồng hồ. Tuy nhiên, kể từ Einstein, chúng ta cũng đã biết rằng thời gian là tương đối, chẳng hạn như nó chảy chậm hơn khi chúng ta chuyển động hoặc ở trong trường hấp dẫn. Nhận thức của con người về thời gian cũng mang tính chất tương đối. Một lần nữa không theo Einstein: hai phút ở bên một cô gái xinh đẹp dường như rất ngắn, trong khi hai phút trên bếp nóng có thể cảm thấy như lâu vĩnh viễn.
Ngoài ra, có rất nhiều câu hỏi mở, chẳng hạn như thời gian có bắt đầu hay kết thúc và hiện tại thực sự kéo dài bao lâu trong nhận thức của con người. Đồng hồ sinh học và những đặc thù văn hóa trong việc ứng xử với thời gian cũng là những chủ đề khoa học mang tính thời sự, rất thú vị.
xu hướng trong tự động hóa: Làm cách nào để đo thời gian?
Ullrich: Ví dụ như với một con lắc. Qua đó áp dụng, con lắc càng ngắn thì dao động càng nhanh và có thể đo thời gian càng chính xác hơn. Chính xác hơn nữa là đồng hồ thạch anh, trong đó một tinh thể được tạo ra để dao động với điện áp. Nó rung hơn 30.000 lần mỗi giây. Hiện tại, đồng hồ chính xác nhất là đồng hồ nguyên tử, ngay cả khi bản thân các nguyên tử không dao động. Thay vào đó, chúng tôi sử dụng bức xạ điện từ, nói chính xác hơn là vi sóng. Chúng rung động nhanh hơn nhiều so với tinh thể thạch anh, cụ thể là khoảng chín tỷ lần mỗi giây. Với bức xạ vi sóng, chúng ta kích thích các electron của nguyên tử xêzi. Và bởi vì điều đó chỉ hoạt động nếu bức xạ có tần số rung động rất cụ thể, chúng ta có thể sử dụng nó để xác định giá trị của một giây và cũng xác định nó rất chính xác.
Tất nhiên, chúng ta phải liên tục kiểm tra xem chúng ta có đang đặt đúng nhịp và thực sự kích thích các electron hay không. Để làm điều này, trước tiên chúng tôi gửi các nguyên tử xêzi theo một chùm tia nằm ngang qua từ trường và vi sóng, sau đó, với một máy dò được định vị khéo léo, chỉ đếm các nguyên tử có các điện tử bị kích thích. Trong hai đồng hồ chính xác nhất của chúng tôi, chúng tôi có một cách sắp xếp khác nhau và bắn các nguyên tử xêzi theo phương thẳng đứng qua trường vi sóng giống như một đài phun nước. Sau đó, chúng chạy qua trường lần thứ hai khi rơi xuống. Với những đồng hồ nguyên tử này, chúng ta có thể xác định giây đến 16 chữ số thập phân.
xu hướng trong tự động hóa: Đồng hồ đeo tay hoặc đồng hồ nhà ga chắc chắn không cần phải chính xác như vậy. Bạn cần độ chính xác cao để làm gì?
Ullrich: Tính không chính xác tích lũy và tương đối nhanh. Đó là lý do tại sao chúng tôi chỉ có thể đảm bảo độ chính xác cao về lâu dài với những chiếc đồng hồ rất chính xác. Ngoài ra, việc đo lường chính xác thời gian cũng đóng một vai trò quan trọng, đặc biệt là đối với các chủ đề khoa học. Ví dụ, một trong những tiêu điểm của chúng tôi tại PTB là câu hỏi về việc liệu các hằng số tự nhiên như cái được gọi là hằng số cấu trúc mịn, bao gồm tốc độ ánh sáng và lượng tử hiệu ứng Planck, có thực sự không đổi hay không. Có bằng chứng cho thấy đây không phải là trường hợp. Nếu nghi ngờ được xác nhận, điều này sẽ có hậu quả sâu rộng, bởi vì nhiều luật và kiểu mẫu dựa trên các hằng số tự nhiên. Tình cờ, các nhà nghiên cứu thời gian đã phát hiện ra vào những năm 1930 rằng các phép đo chính xác có thể tạo ra một số giả thiết nhất định, khi giây vẫn được xác định là một phần nhỏ của vòng quay của trái đất. Vào thời điểm đó, ở đây những chiếc đồng hồ thạch anh chính xác nhất trong thời đại của họ đã được đưa vào vận hành tại PTB. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng trái đất quay ngày càng chậm hơn và đặc biệt là không đều và không, như đã được giả định cho định nghĩa về thời gian tại thời điểm đó, luôn luôn ở cùng một tốc độ.
xu hướng trong tự động hóa: Có ứng dụng thực tế nào cho đồng hồ nguyên tử không?
Ullrich: Đồng hồ nguyên tử đánh dấu, ví dụ, trên các vệ tinh định vị cho hệ thống GPS của Mỹ hoặc GLONASS của Nga và cũng cho các vệ tinh đầu tiên của Galileo châu Âu. Các hệ thống này xác định vị trí bằng cách sử dụng thời gian truyền tín hiệu giữa vệ tinh và trái đất và do đó cần thông tin thời gian rất chính xác. Các nhà trắc địa cũng muốn sử dụng đồng hồ để đo đạc trong không gian. Điều này cho phép đo vị trí tương đối của hai vệ tinh với độ chính xác cao và suy ra những thay đổi trong trường hấp dẫn của trái đất và do đó được lập bản đồ hoàn chỉnh. Với các phép đo tương tự trên Trái đất và đồng hồ thậm chí chính xác hơn, các phân bố khối lượng khác nhau có thể được phát hiện trong tương lai và do đó, các nguồn tài nguyên khoáng sản có thể được theo dõi. Chúng tôi hiện đang làm việc về các chủ đề như vậy cùng với nhiều nhà nghiên cứu trong Exzellenz-Cluster QUEST tại Leibniz Universität Hannover.
xu hướng trong tự động hóa: Đồng hồ trên vệ tinh có cấu trúc phức tạp giống đồng hồ nguyên tử của PTB không?
Ullrich: Chúng hoạt động trên cùng một nguyên tắc, nhưng chắc chắn nhỏ gọn hơn một chút và không cần phải chính xác. Do truyền tín hiệu từ trước đến nay nên dù sao cũng có sai lệch nhỏ. Ngày nay người ta có thể dễ dàng mua đồng hồ nguyên tử cho nhiều mục đích. Chúng có giá từ vài € 100 đến khoảng € 100.000 cho các ứng dụng trên trái đất - chúng đắt hơn đáng kể cho các ứng dụng vệ tinh - và nhờ công nghệ phức tạp của chúng, chúng thường chạy không cần bảo trì trong nhiều năm.
xu hướng trong tự động hóa: Bạn nói rằng công nghệ được coi là trưởng thành. Liệu một chiếc đồng hồ nguyên tử, chẳng hạn như chiếc ở đây ở PTB, vẫn có thể hỏng?
Ullrich: Tất nhiên về nguyên tắc là có thể, nhưng chúng tôi có dự trữ. Riêng tại PTB, bốn đồng hồ nguyên tử chính đánh dấu như là đóng góp của chúng tôi vào giờ thế giới. Và chẳng hạn, để cung cấp thời gian cho đồng hồ điều khiển bằng sóng vô tuyến, được gửi qua một máy phát sóng dài ở Mainflingen gần Frankfurt, có thêm ba đồng hồ nguyên tử tại chỗ, được so sánh thường xuyên với đồng hồ PTB.
xu hướng trong tự động hóa: Làm cách nào để bạn đảm bảo rằng đồng hồ chạy đúng trên toàn thế giới?
Ullrich: Như đã đề cập, có cái gọi là giờ thế giới, áp dụng cho 24 múi giờ và được xác định bởi khoảng 400 đồng hồ nguyên tử trên toàn thế giới. Các đồng hồ được so sánh với nhau và một giá trị trung bình được hình thành. Đồng hồ kém chính xác có trọng số nhỏ hơn so với đồng hồ chính xác hơn. Cuối cùng, nó được kiểm tra xem giá trị này có tương ứng với đồng hồ tốt nhất trên thế giới hay không, bao gồm cả đồng hồ nguyên tử của chúng tôi tại PTB. Các giá trị được xác định theo cách này được công bố dưới dạng giờ thế giới bởi văn phòng quốc tế về quy ước đồng hồ, BIPM, có trụ sở tại Sèvres gần Paris, Pháp từ năm 1875. Điều này hiện diễn ra mỗi tháng một lần. Điều quan trọng nữa là tất cả đồng hồ nguyên tử đều liên quan đến một độ cao, bởi vì, theo Einstein, thời gian cũng phụ thuộc vào trường hấp dẫn.
xu hướng trong tự động hóa: Định nghĩa thời gian hiện tại có thể có giá trị trong bao lâu?
Ullrich: Chắc chắn vẫn còn vài năm nữa, nhưng thế hệ đồng hồ tiếp theo đã xuất hiện. Những cái gọi là đồng hồ quang học này có thể chính xác hơn ít nhất một trăm lần so với đồng hồ nguyên tử tốt nhất hiện nay. Chúng hoạt động theo một nguyên tắc tương tự. Tuy nhiên, bức xạ mà nhờ đó chúng ta kích thích các electron ở đây có tần số dao động cao hơn 100.000 lần và nằm trong phạm vi khả kiến. Do đó, thay vì sử dụng bức xạ vi sóng, đồng hồ quang học chạy bằng ánh sáng từ tia laser có độ chính xác cao.
Tại PTB, chúng tôi đã có hai đồng hồ quang học khác nhau, cả hai đều chính xác hơn đồng hồ nguyên tử của chúng tôi khoảng mười lần. Tuy nhiên, trong vài năm tới, chúng ta mới sẽ phải so sánh các đồng hồ quang học khác nhau trên thế giới và quan sát xem chúng có cùng hoạt động theo cùng một cách hay không và với mức độ không chắc chắn nào. Cũng sẽ mất ít nhất khoảng thời gian đó trước khi định nghĩa giây được điều chỉnh cho phù hợp với các khả năng kỹ thuật mới.
xu hướng trong tự động hóa: Hợp tác với các đối tác quốc tế đóng vai trò gì trong những bước phát triển mới như vậy?
Ullrich: Các nhà đo lường chúng tôi đã làm việc cùng nhau rất chặt chẽ và mang tính xây dựng quốc tế kể từ khi công ước về đồng hồ được ký vào năm 1875, điều mà tôi thấy rất dễ chịu. Nhưng tất nhiên cũng có sự cạnh tranh. Vào cuối ngày, mọi người đều muốn có một chiếc đồng hồ tốt nhất. Về mặt đó, chúng tôi khá thành công. Đồng hồ nguyên tử đài phun nước của chúng tôi là một trong những đồng hồ chính xác nhất trên thế giới. Và trong lĩnh vực đồng hồ quang học, chúng tôi hiện đang trong một cuộc đua đối đầu thân thiện với viện đối tác của chúng tôi, National Institute of Standard and Technology, gọi tắt là NIST, ở Hoa Kỳ.
xu hướng trong tự động hóa: Bạn xử lý chủ đề rất chuyên sâu một cách chuyên nghiệp. Điều đó cũng ảnh hưởng đến mối quan hệ cá nhân của bạn theo thời gian?
Ullrich: Tôi coi thời gian là một thứ hàng hóa vô cùng quý giá. Vì vậy, tôi cố gắng sử dụng chúng một cách tối ưu. Ví dụ: tôi thực hiện các nhiệm vụ khác nhau đòi hỏi sự tập trung cao độ trong các khối nếu có thể và sau đó tôi không muốn bị gián đoạn vì điều đó khiến công việc kém hiệu quả nếu bạn phải luôn luôn bắt đầu lại từ đầu. Đó là lý do tại sao tôi cũng làm cho mình tương đối độc lập với điện thoại di động và Internet trong những giai đoạn làm việc như vậy, thường là vào sáng sớm hoặc cuối tuần.
Khó nhất là cân bằng thời gian làm việc với thời gian dành cho gia đình. Điều này có lẽ một phần là do tôi rất thích công việc của mình và thường không coi nó là công việc gì cả. Sau đó, tôi quên mất thời gian.
Joachim Ullrich là Chủ tịch của Physikalisch-Technische Bundesanstalt ở Braunschweig, viện đo lường quốc gia của Đức, kể từ năm 2012. Trước đó, ông là Giám đốc Viện Vật lý Hạt nhân Max Planck ở Heidelberg, nơi ông đứng đầu bộ phận “Động lực học lượng tử nhiều hạt thực nghiệm”. Ông không chỉ được quốc tế công nhận là Chủ tịch PTB mà còn là một chuyên gia trong lĩnh vực vật lý lượng tử và các thí nghiệm về laser electron tự do, ví dụ như tại DESY ở Hamburg hoặc tại SLAC National Accelator Laboratory ở Stanford, Hoa Kỳ. Ông đã nhận được một số giải thưởng cho công việc của mình, bao gồm Giải thưởng Tài Trợ Gottfried Wilhelm Leibniz từ Quỹ Nghiên cứu Đức và Giải thưởng Nghiên cứu Philipp Morris.