Введение

Национальный институт метрологии Федеративной Республики Германия

Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) является национальным институтом метрологии Федеративной Республики Германия, выполняющим научно-технические задачи и предоставляющим соответствующие услуги. Это высший федеральный орган и учреждение публичного права, находящееся в непосредственном подчинении федеральному правительству и не обладающее правосубъектностью, под надзором Федерального министерства по делам экономики и защиты климата.

Задачи

Вместе с NIST в США и NPL в Великобритании, PTB входит в число ведущих метрологических институтов в мире. Как Национальный метрологический институт Германии, PTB является высшим и единственным авторитетом Германии в области точных и надежных измерений. Закон о единицах и времени [Bundesgesetzblatt (Федеральный законный бюллетень), том 2008, часть I, № 28, с. 1185 и далее, 11 июля 2008 г.] возлагает на PTB все задачи, связанные с реализацией и распространением единиц измерения. Все юридически значимые аспекты, касающиеся единиц измерения, а также обязанности PTB, объединены в этом законе. Ранее все вопросы, касающиеся единиц измерения и роли PTB, были распределены между тремя законами: Законом об единицах, Законом о времени и Законом о поверке. PTB состоит из девяти технических научных отделений (два из них в Берлине), которые подразделяются на приблизительно 60 отделов. Эти отделы, в свою очередь, подразделяются на более чем 200 рабочих групп. Задачи PTB включают: определение фундаментальных и естественных констант; реализацию, поддержание и распространение законных единиц СИ; и обеспечение безопасности. Этот спектр задач дополняется такими службами, как Немецкая служба калибровки (Deutscher Kalibrierdienst, DKD), а также метрология в регулируемых законом областях, метрология для промышленности и метрология для передачи технологий. В качестве основы для выполнения своих задач PTB проводит фундаментальные исследования и разработки в области метрологии в тесном сотрудничестве с университетами, другими научно-исследовательскими институтами и промышленностью. В PTB работает около 1900 сотрудников. Общий бюджет составляет приблизительно 183 миллиона евро; в 2012 году было дополнительно привлечено около 15 миллионов евро в качестве средств третьих сторон для исследовательских проектов. Закон о единицах и времени также особенно возлагает на PTB задачу распространения точного времени в Германии. Для обеспечения этой основы PTB использует несколько атомных часов (в настоящее время два цезиевых стандарта и, соответственно, с 1999 и 2009 годов, два цезиевых фонтанных стандарта). По заказу PTB синхронизация часов по радио осуществляется через передатчик временного сигнала DCF77, управляемый компанией Media Broadcast. Компьютеры, подключенные к Интернету, могут также получать точное время через три общедоступных NTP-сервера, управляемых PTB. В Берлине-Адлерсхофе PTB управляет электронным накопительным кольцом MLS (Metrology Light Source) для калибровок в диапазоне от инфракрасного (THz) до экстремального ультрафиолета (EUV). Отдел Q.5 "Техническое сотрудничество" реализует проекты немецкого и международного развития в области инфраструктуры качества. Эта деятельность способствует повышению конкурентоспособности, а также защите окружающей среды и прав потребителей в развивающихся странах и странах с переходной экономикой. Одной из задач отдела "Метрологические информационные технологии" PTB – в соответствии с немецким Постановлением об азартных играх (§ 11 и далее SpielV) – является выдача типовых одобрений для игровых автоматов, предоставляющих возможность выигрыша. Кроме того, в соответствии с Федеральным постановлением о машинах для голосования, PTB отвечает за типовое одобрение компьютеров для голосования. Однако этот вопрос остается спорным, поскольку Федеральный конституционный суд в своем решении от 3 марта 2009 года признал использование таких машин для голосования недопустимым. Оружие, которое может носиться с небольшим разрешением на огнестрельное оружие, то есть оружие для стрельбы холостыми патронами или раздражающими веществами, а также оружие, используемое в качестве сигнальных устройств, требует маркировки PTB для его утверждения. Иногда это оружие также называют "оружием PTB" и имеет маркировку PTA или PTB – букву F (см. также Закон об испытаниях оружия и боеприпасов).

История

Два ключевых фактора, приведших к основанию Имперского физико-технического института (PTR), заключались в установлении общепринятых, единых мер в рамках Метрической конвенции 1875 года и динамичном промышленном развитии Германии в XIX веке. Уже во время Франко-прусской войны (1870/71) в Германии стала очевидной стагнация в научной механике и в науке об измерительных приборах. Для промышленного производства требовалась всё более точная метрология. Значительное влияние на инициативу создания государственного института метрологии с целью содействия национальным интересам экономики, торговли и армии оказала, в частности, развивающаяся электротехническая промышленность под руководством изобретателя и промышленника Вернера фон Сименса. В отличие от единиц длины и веса, в области электрической метрологии в то время не существовало признанных методов и стандартов. Отсутствие надёжных и верифицируемых методов измерения для реализации электрических (и других) единиц измерения представляло собой острую научную и экономическую проблему. В 1872 году группа прусских учёных-естествоиспытателей объединила усилия и потребовала создания государственного института для решения этой проблемы. Это было обусловлено тем, что такая задача была научно слишком сложной для промышленных лабораторий и, кроме того, не представляла для них коммерческого интереса, а классические учебные заведения также не подходили для её выполнения. Среди сторонников «Меморандума Шеллбаха» (названного по имени его автора Карла Генриха Шеллбаха) были, в частности, Герман фон Гельмгольц и математик и физик Вильгельм Фёрстер. Однако Пруссия первоначально отклонила их требования. Лишь спустя несколько лет Вернер фон Сименс и Герман фон Гельмгольц, «отцы-основатели» PTR, смогли реализовать своё видение – создание исследовательского института, призванного оптимально связать научные, технические и промышленные интересы. Наконец, 28 марта 1887 года Имперский рейхстаг одобрил первый годовой бюджет PTR – основание первого финансируемого государством, независимого от университетов, крупного исследовательского учреждения в Германии, сочетавшего фундаментальные исследования с услугами для промышленности. Вернер фон Сименс передал Рейхсанштальту частную землю в Берлине-Шарлоттенбурге. Первым президентом стал Герман фон Гельмгольц. В то время в PTR работало 65 человек, в том числе более десятка физиков, располагавших бюджетом в 263 000 рейхсмарок. В первые десятилетия PTR удалось привлечь в качестве сотрудников выдающихся учёных и членов куратория, среди которых Вильгельм Вин, Фридрих Кольрауш, Вальтер Нернст, Эмиль Варбург, Вальтер Боте, Альберт Эйнштейн и Макс Планк.

Рождение квантовой физики

Первое выдающееся научное достижение в PTR также было тесно связано с Максом Планком. Чтобы определить, что выгоднее для уличного освещения в Берлине – электричество или газ – PTR должен был разработать более точный стандарт для силы света. С этой целью в 1895 году Отто Люммер и Вильгельм Виен создали первый полостной излучатель для практического получения теплового излучения. Их измерения спектра излучения абсолютно черного тела были настолько точными, что противоречили закону излучения Вина в области длинных волн. Это поколебало один из краеугольных камней классической физики того времени. Эти измерения побудили Макса Планка к радикальному решению – разделить тепловое излучение на отдельные порции, что он позже назвал "актом отчаяния". Так родилась квантовая физика.

Новая структура и новая физика

В 1914 году президент PTR Эмиль Варбург упразднил разделение на физический и технический отделы и реструктурировал PTR, создав отделы оптики, электричества и теплотехники, с подразделениями, имеющими чисто научный и технический характер. При преемнике Варбурга, Вальтере Нернсте, в PTR также был интегрирован Reichsanstalt für Maß und Gewicht (Имперский институт мер и весов – RMG). Новообразованный отдел принял от RMG обширные задачи, связанные с системой поверки, а также измерения длины, веса и объема, необходимые для этой системы. Таким образом, профиль задач стал схожим с профилем сегодняшнего PTB: посредством собственных исследований и разработок, а также оказываемых на их основе услуг, PTR должен был обеспечивать единообразие метрологии и ее непрерывное развитие. По содержанию, PTB в то время занималась так называемой Новой физикой. Это включало, в частности, исследования недавно открытых рентгеновских лучей, новых моделей атома, специальной теории относительности Эйнштейна, квантовой физики (основанной на уже упомянутых работах по излучению абсолютно черного тела) и изучение свойств электрона. В этих исследованиях участвовали такие ученые, как Ханс Гейгер, основавший первую лабораторию радиоактивности PTR. Вальтеру Мейсснеру удалось сжижить гелий, что привело его к открытию сверхпроводимости ряда металлов. В связи с этим, спустя несколько лет он вместе со своим коллегой Робертом Оксенфельдом обнаружил, что сверхпроводники обладают свойством вытеснять из своего объема приложенное извне магнитное поле – эффект Мейснера-Оксенфельда.

Нацистская Германия

С назначением Йоханнеса Старка президентом 1 мая 1933 года идеология национал-социализма проникла в PTR. Убежденный сторонник «немецкой физики» прекратил ряд исследовательских проектов в области современной физики, которые он называл «еврейскими», в частности работы по квантовой физике и теории относительности. Старк также попытался внедрить в PTR «принцип фюрера» (Führerprinzip): в 1935 году он распустил кураториум и сосредоточил его полномочия в своих руках. Еврейские сотрудники и критики НСДАП (такие как Макс фон Лауэ) были уволены. После Второй мировой войны фон Лауэ участвовал в восстановлении PTB. Альберт Эйнштейн, исключенный из кураториума еще до его роспуска, прервал связи с PTR/PTB. Под руководством Старка и, после 1939 года, его преемника Абрахама Эсау, PTR активно занялась исследованиями в области вооружений. Новообразованная лаборатория акустики должна была изучать не только общие, но и преимущественно военные области применения, включая акустическое обнаружение артиллерии, военное использование ультразвука и разработку методов дешифровки. Кроме того, исследователи PTR разработали акустические мины и систему управления торпедами, ориентирующуюся на звуковое поле движущихся судов. Благодаря своим классическим метрологическим задачам, PTR также была тесно связана с оружейной промышленностью Третьего рейха. Точные измерения являлись основой для производства военной техники, поэтому PTR играла ключевую роль в производстве вооружений и обеспечении обороны. Степень участия PTR в немецком ядерном проекте остается предметом споров. Однако известно, что до назначения президентом PTR Абрахам Эсау руководил группой исследователей, занимавшихся ядерным делением. Позднее он возглавил направление «ядерное деление» в Рейхс-НИИ, который с весны 1942 года осуществлял надзор за немецким урановым проектом. Вскоре после этого Герман Геринг подчинил рабочую группу под руководством бывшего сотрудника PTR Курта Дибнера Отделу V по атомной физике в PTR. Эсау получил звание «уполномоченного представителя рейхсмаршала по ядерной физике», однако уже в конце 1943 года передал эту должность Вальтеру Герлаху. Чтобы избежать бомбардировок союзников, в 1943 году, по инициативе президента и тайного советника Тюрингии Абрахама Эсау, PTR была передислоцирована в различные города Германии (например, в Вейду и Роннебург в Тюрингии, а также в Бад-Вармбрунн в Нижней Силезии). В ходе бомбардировок Берлина здания PTR получили серьезные повреждения. В 1945 году Рейхсанстальт был практически разрушен, а немногие сохранившиеся отделы были разбросаны по всей стране.

Восстановление PTB в Брауншвейге и других преемников PTR

Примерно с 1947 года, помимо ПТР в Берлине-Шарлоттенбурге, были созданы преемные институты – один в Восточном Берлине для советской оккупационной зоны и один в Бизоне, а затем в Тризоне. При благожелательной поддержке британского военного правительства в Брауншвейге были воссозданы части старого Рейхсанстальта. Идея этого воссоздания была высказана бывшим консультантом ПТР по теоретической физике Максом фон Лауэ еще во время его интернирования в Ферм-Холле. В 1947 году ему удалось убедить британские власти предоставить преемнику ПТР бывший Luftfahrtforschungsanstalt (Аэронавтический исследовательский институт) в Вёлькенроде близ Брауншвейга. В 1948 году Вильгельм Кёстерс, который на протяжении многих лет был директором 1-го отдела в Берлине, стал его первым президентом. За ним в Брауншвейг перешли многие бывшие сотрудники ПТР из Берлина, Вайды и Гейдельберга. Новый институт получил название ꞋꞋФизико-технический институтꞋꞋ (PTA), а с 1 апреля 1950 года – ꞋꞋФизико-технический федеральный институтꞋꞋ. В 1953 году ПТР Западного Берлина был интегрирован в этот институт как ꞋꞋБерлинский институтꞋꞋ, с сохранением четырехстороннего статуса Берлина. В Германской Демократической Республике (ГДР) было создано Deutsches Amt für Maß und Gewicht (DAMG) с главным офисом в Берлине. После нескольких переименований в последние годы существования ГДР этот институт был назван Amt für Standardisierung, Meßwesen und Warenprüfung (Управление по стандартизации, метрологии и контролю качества – ASMW); само название указывает на то, что это ведомство ГДР имело более широкий спектр задач, чем PTB в Федеративной Республике Германия (ФРГ), а именно дополнительные функции в области стандартизации и обеспечения качества, а также в сфере деятельности Bundesanstalt für Materialforschung und Prüfung (BAM).

Рост и воссоединение

Молодой ПТБ быстро рос в годы после основания – как в отношении численности персонала, так и в отношении финансовых ресурсов. Расширился не только его научный метрологический профиль, но и спектр услуг, предоставляемых промышленности, в частности, в форме калибровки измерительных приборов. В 1970-х годах это привело к созданию Deutscher Kalibrierdienst (Немецкой калибровочной службы), которая делегировала сервисные задачи аккредитованным частным лабораториям, что позволило ПТБ сосредоточиться на более сложных измерительных задачах. С 1967 по 1995 год ПТБ эксплуатировал экспериментальный и исследовательский реактор в Брауншвейге. Этот реактор служил, прежде всего, источником нейтронов для фундаментальных исследований, а не для изучения ядерной энергии. ПТБ занимался этой спорной темой с 1977 по 1989 год, главным образом из-за того, что ему была поручена задача "долгосрочного управления и утилизации радиоактивных отходов". Позже эта область деятельности перешла в ведение вновь созданного ″Bundesamt für Strahlenschutz″ (Федерального ведомства по радиационной защите). Сегодня подразделение 6 ПТБ занимается ионизирующим излучением в целом. В его состав также входит высокочувствительная станция мониторинга радионуклидов, которая более 50 лет измеряет содержание радиоактивных веществ в приземном воздухе. "Венде" ("политические перемены") в Германии в 1990 году также привела к "воссоединению в метрологии". ПТБ принял на себя часть ASMW (Офиса по стандартизации, метрологии и контролю качества бывшей Германской Демократической Республики), включая 400 сотрудников и площадку в Берлине-Фридрихшагене в качестве дополнительного филиала (от которого впоследствии отказались). Другие части ASMW были интегрированы в BAM. Несмотря на период сокращения штата – последовавший за значительным расширением после воссоединения – ПТБ сегодня входит в число крупнейших национальных метрологических институтов в мире. Как таковой, он отвечает за реализацию и распространение физических единиц измерения и способствует обеспечению единообразия метрологии во всем мире.

Журналы

+ Выпуски журнала "maßstäbe" ПТБ, опубликованные до сих пор: № выпуска НазваниеПеревод Дата выпуска1Размеры единицСентябрь 20012Размеры в спортеИюнь 20023К светуФевраль 20034В лабиринте случайностейДекабрь 20035Малые величиныДекабрь 20046Современная историяСентябрь 20057НеизменноеСентябрь 20068Внутренний обзорОктябрь 20079ПоказателиНоябрь 200810Люди в лабораторииДекабрь 200911Измерение силМай 201112ВехиИюнь 201313Повседневная жизнь в меруИюль 201614Измерения для всехНоябрь 2018 Журнал PTB "maßstäbe", который издается примерно раз в год, можно бесплатно подписать или скачать со страниц PTB в интернете. Он содержит статьи о физических величинах. Эти статьи предназначены для широкой публики и должны быть понятными и информативными. Кроме того, PTB три раза в год издает научный информационный бюллетень "PTB news". На четырех страницах он содержит новости из областей "Основы метрологии", "Прикладная метрология для промышленности", "Медицина и охрана окружающей среды", "Метрология для общества" и "Международная деятельность". "PTB news" публикуется на немецком и английском языках. "PTB Mitteilungen" – это специализированный метрологический журнал и официальный информационный бюллетень ПТБ. Он издается четыре раза в год и содержит оригинальные научные статьи, а также обзорные статьи по метрологическим темам из сфер деятельности ПТБ. Каждый выпуск посвящен основной теме. Как официальный информационный бюллетень, журнал имеет давнюю традицию, восходящую к началу Physikalisch Technische Reichsanstalt (Имперский технический физический институт PTR, основанный в 1887 году). До 2014 года в "PTB Mitteilungen" также публиковались в отдельном разделе [под названием "Amtliche Bekanntmachungen" ("Официальные уведомления")] одобрения типов, выданные ПТБ, а также результаты испытаний и оценки соответствия, проводимые ПТБ. С вступлением в силу нового Закона об измерительных приборах и поверке, с 1 января 2015 года, и нового Положения об измерительных приборах и поверке, правовая основа для этих уведомлений отменена. С 2015 года "PTB Mitteilungen" является исключительно специализированным метрологическим журналом и больше не публикует "официальные уведомления".

Работники

Сотрудниками PTR и PTB, среди прочих, были: Удо Адельсбергер, Вальтер Боте, Курт Дибнер, Герхард Вильгельм Беккер, Эрнст Энгельхард, Авраам Эсау, Эрнст Герчке, Ганс Гейгер, Вернер Гитт, Эуген Гольдштейн, Эрнст Карл Адольф Гумлих, Герман фон Гельмгольц, Фриц Хеннин, Фридрих Георг Хоутерманс, Макс Якоб, Хельмут Кейтер, Дитер Кинд, Ганс Отто Кнезер, Фридрих Вильгельм Кольрауш, Вильгельм Кёстерс, Бернхард Антон Эрнст Крамер, Иоганнес Крамер, Август Кундт, Макс фон Лауэ, Карл фон Линде, Леопольд Лёвенгерц, Отто Люммер, Вальтер Майдингер, Вальтер Мейснер, Франц Милиус, Вальтер Герман Нернст, Роберт Оксенфельд, Фридрих Пашен, Маттиас Шеффлер, Адольф Шайбе, Харальд Шеринг, Райнхард Шерм, Иоганнес Штарк, Ульрих Штилле, Ида Такке, Готтхольд Рихард Вивег, Рихард Вахсмут, Эмиль Варбург, Вильгельм Вин.