Joachim Ullrich a braunschweigi Szövetségi Fizikai-Műszaki Intézet elnöke. Itt ketyeg néhány a világ legpontosabb órái közül. Fizikus interjúalanyunkkal arról beszélgettünk, mi is az a világidő, és mire jó, ha tizenhat tizedesjegy pontossággal lehet meghatározni egy másodpercet.
Trends in Automation: Ullrich professzor, a Szövetségi Fizikai-Műszaki Intézet a pontos óráiról ismert, és ebben az értelemben az idő szakértőjének számít. De mi is valójában az idő?
Prof. Dr. Joachim H. Ullrich: Ez egy nagyon összetett kérdés. Mi, fizikusok megkönnyítjük a dolgunkat, és az időt kiszámítható, ismétlődő folyamatok, például a Föld forgása vagy az inga lengése alapján határozzuk meg. Ezt a nagyon pragmatikus meghatározást már a Nobel-díjas Albert Einstein, intézetünk egykori kuratóriumi tagja is alkalmazta. E definíció szerint az idő az, amit leolvasunk az óráról. Einstein óta azonban azt is tudjuk, hogy az idő relatív, például hogy lassabban telik, ha mozgásban vagy gravitációs mezőben vagyunk. Az emberi időérzékelés is relatív. Einstein után szabadon: Két perc egy kedves lány társaságában nagyon rövidnek, míg két perc a forró tűzhelyen végtelenül hosszúnak tűnhet.
Ezenkívül számos kérdés nyitott még, például, hogy van-e kezdete vagy vége az időnek, valamint a jelen valójában meddig tart az emberi érzékelésben. A biológiai óra és az idővel kapcsolatos kulturális sajátosságok szintén rendkívül érdekes, aktuális tudományos kérdéskörök.
Trends in Automation: Hogyan mérhető az idő?
Ullrich: Például egy ingával. Minél rövidebb az inga, annál gyorsabban leng, és annál pontosabban mérhető vele az idő. A kvarcórák még pontosabbak, amelyekben elektromos feszültség hoz rezgésbe egy kristályt, amely másodpercenként több mint 30 000-szer leng ki. Ma a legpontosabb órák az atomórák, bár ezekben nem rezegnek atomok. Az időméréshez elektromágneses sugárzást, pontosabban mikrohullámok segítségét vesszük igénybe. A mikrohullámok sokkal gyorsabban rezegnek, mint kvarckristályok, másodpercenként körülbelül kilenc milliárdszor. A mikrohullámú sugárzás céziumatomok elektronjainak gerjesztésére szolgál. Ez csak a sugárzás egy bizonyos rezgési frekvenciájánál működik, ezért ebből igen pontosan meghatározhatjuk a másodperc értékét és időtartamát.
Természetesen folyamatosan ellenőrizni kell, hogy a megfelelő ütem van-e beállítva, és hogy valóban gerjesztjük-e az elektronokat. Ehhez először mágneses és mikrohullámú mezőkön küldjük keresztül a céziumatomokat vízszintes sugár formájában, majd egy ügyesen elhelyezett detektorral megszámoljuk a gerjesztett elektronokkal rendelkező atomokat. Két legpontosabb óránkban ugyanakkor más elrendezést alkalmazunk: a céziumatomokat, mint egy szökőkútnál, függőlegesen felfelé lőjük át a mikrohullámú mezőn. Az atomok esés közben ismét áthaladnak a mezőn. Ezekkel az atomórákkal 16 tizedesjegy pontossággal tudjuk meghatározni a másodperceket.
Trends in Automation: Ilyen pontosságra minden bizonnyal nincs szükség karóráknál vagy köztéri óráknál. Mire kell ez a nagy pontosság?
Ullrich: A kis pontatlanságok viszonylag gyorsan összegződnek. Ezért csak nagyon pontos órákkal lehet nagy pontosságot szavatolni hosszú távon. A pontos időmérés főleg a tudományos kutatások számára kiemelkedő jelentőségű. A Szövetségi Fizikai-Műszaki Intézet egyik fő kutatási területe például, hogy valóban állandók-e az olyan természeti állandók, mint az úgynevezett finomszerkezeti állandó, amely többek között a fénysebesség és a Planck-állandó meghatározására szolgál. Bizonyos megfigyelések arra engednek következtetni, hogy nem. Ha a gyanú beigazolódna, annak messzemenő következményei lennének, mivel számos fizikai törvény és modell a természeti állandókon alapul. Az időkutatók már az 1930-as években – amikor még a Föld forgásának töredékeként definiálták a másodpercet – rájöttek arra, hogy a pontos mérések sok biztosnak hitt feltételezést megkérdőjelezhetnek. Akkoriban helyezték üzembe itt, a Szövetségi Fizikai-Műszaki Intézetben a kor legpontosabb kvarcóráit. A kutatók ezek segítségével megállapították, hogy a Föld forgása lassul, ráadásul nem mindig azonos sebességgel forog, ahogyan azt az idő akkori definíciója feltételezte.
Trends in Automation: A hétköznapokban hogyan vesszük hasznát az atomóráknak?
Ullrich: Atomórák ketyegnek például az amerikai GPS-rendszer vagy az orosz GLONASS, illetve az európai Galileo első műholdjainak helymeghatározó műholdjain. Ezek a rendszerek a műhold és a Föld közötti jelterjedési idő alapján határozzák meg a pozíciót, ezért nagyon pontos időadatokra van szükségük. A geodéták a közeljövőben szintén órák segítségével akarnak földmérést végezni a világűrből. Ez lehetővé teszi két műhold relatív helyzetének pontos mérését, és annak változásából a Föld gravitációs mezőjéről vonhatnak le következtetéseket, így elvégezhetik annak teljes feltérképezését. A jövőben hasonló földi mérésekkel és még pontosabb órákkal akár még eltérő tömegeloszlásokat is ki lehetne mutatni, amit ásványkincsek kutatására lehetne felhasználni. Jelenleg a hannoveri Leibniz Egyetem QUEST kiválósági klaszterében dolgozunk együtt sok más kutatóval ilyen kérdéseken.
Trends in Automation: A műholdak órái ugyanolyan bonyolult felépítésűek, mint az Önök atomórái?
Ullrich: Ugyanezen az elven működnek, de egy kicsit kisebbek, és nem is kell annyira pontosnak lenniük. A jelátviteli eljárás miatt amúgy is előfordulnak kisebb eltérések. Manapság már számos célra lehet atomórákat vásárolni. Földi alkalmazásokhoz néhány 100 € és 100 000 € közötti összegbe kerülnek – a műholdas alkalmazásokhoz valók ennél lényegesen drágábbak –, és kiforrott technológiájuknak köszönhetően általában karbantartás nélkül is eljárnak hosszú évekig.
Trends in Automation: Ön szerint a technológia kiforrottnak tekinthető. Vajon meghibásodhat-e egy atomóra, például a Szövetségi Fizikai-Műszaki Intézeté?
Ullrich: Elvileg igen, de vannak tartalékaink. Csak nálunk négy elsődleges atomóra ketyeg, amelyek a világidő kiszámításában segítenek. A megfelelő vevőkkel rendelkező órák időszinkronizálására szolgáló rádiójelet sugárzó hosszúhullámú adónál pedig további három atomóra található a Frankfurt melletti Mainflingenben, amelyek rendszeresen szinkronizálódnak a mi óráinkkal.
Trends in Automation: Hogyan biztosítják, hogy az órák világszerte helyesen járjanak?
Ullrich: Ahogy az imént említettük, létezik egy úgynevezett világidő, amely mind a 24 időzónára érvényes, és amelyet mintegy 400 atomóra határoz meg világszerte. Az órák által mért időket összehasonlítjuk egymással, és átlagértéket számolunk belőlük. Ebben a kevésbé pontos órák idői kisebb súllyal jelennek meg, mint a pontosabb óráké. Végezetül ellenőrizzük, hogy ez az érték megegyezik-e a világ legjobb óráinak idejével, amelyek közé a Szövetségi Fizikai-Műszaki Intézet atomórái is tartoznak. Az így meghatározott értékeket a BIPM, a Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Hivatal , melynek székhelye 1875 óta a franciaországi Sèvres-ben, Párizs közelében található, teszi közzé világidőként. Ez jelenleg havonta egyszer történik. Fontos megemlíteni, hogy minden atomóránál a tengerszint feletti magasságot is figyelembe vesszük, mert Einstein óta tudjuk, hogy az idő a gravitációs mezőtől is függ.
Trends in Automation: Meddig marad érvényben az idő jelenlegi definíciója?
Ullrich: Néhány évig még biztosan, de már körvonalazódik az órák új generációja. Ezek az úgynevezett optikai órák valószínűleg legalább százszor pontosabbak lesznek, mint a mai legjobb atomórák. Működési elvük hasonló. Az elektronos gerjesztésére használt sugárzás azonban 100 000-szer nagyobb rezgési frekvenciával rendelkezik, és a látható tartományba esik. Az optikai órák tehát mikrohullámú sugárzás helyett rendkívül precíz lézerek fényével működnek.
A Szövetségi Fizikai-Műszaki Intézetben már ma is áll két különböző optikai óra, mindkettő körülbelül tízszer pontosabb, mint az atomóráink. A következő években azonban még összevetjük a világ különböző optikai óráit, és megvizsgáljuk, hogy mindegyik ugyanúgy ketyeg-e, és milyen bizonytalansággal. Legalább ennyi időbe telik még, amíg a másodperc definícióját az új technikai lehetőségekhez igazítják.
Trends in Automation: Milyen szerepet játszik az ilyen új fejlesztésekben a nemzetközi partnerekkel való együttműködés?
Ullrich: Mi, metrológusok a méteregyezmény 1875-ös aláírása óta nagyon szorosan és konstruktívan dolgozunk együtt nemzetközi szinten, aminek nagyon örülök. De természetesen versengünk is egymással, hiszen mindenki arra törekszik, hogy az ő órája legyen a legjobb a világon. Ami ezt illeti, elég sikeresek vagyunk. Szökőkút atomóráink a világ legpontosabb órái közé tartoznak. Az optikai órák területén pedig jelenleg barátságos fej-fej melletti küzdelmet vívunk partnerintézményünkkel, az amerikai Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézettel (NIST).
Trends in Automation: Ön a munkája során nagyon intenzíven foglalkozik ezzel a kérdéskörrel. Munkája befolyásolja az időhöz való személyes viszonyát?
Ullrich: Az időt rendkívül értékes jószágnak tartom. Ezért igyekszem a lehető legjobban kihasználni. A különböző, intenzív összpontosítást igénylő feladataimat például lehetőleg tömbösítve végzem el, és nem szeretem, ha közben megzavarnak, mert nagyon lerontja a munka hatékonyságát, ha újra elölről kell kezdeni valamit. Ezért az ilyen időszakokban, általában kora reggel vagy hétvégén, igyekszem távol tartani magamtól a mobiltelefont és az internetet.
A legnehezebb dolog a munkaidőt és a családra szánt időt összeegyeztetni. Ez valószínűleg azért is van így, mert nagyon élvezem, amit csinálok, és gyakran egyáltalán nem érzem munkának. Ilyenkor néha el is feledkezem az időről.
Joachim Ullrich 2012 óta a braunschweigi Szövetségi Fizikai-Műszaki Intézet, a német nemzeti metrológiai intézet elnöke. Ezt megelőzően a heidelbergi Max Planck Atomfizikai Intézet igazgatója volt, ahol a „Kísérleti többrészecskés kvantumdinamikai” részleget vezette. Nemcsak a Szövetségi Fizikai-Műszaki Intézet elnöke, hanem a kvantumfizika és a szabadelektron-lézerekkel végzett kísérletek nemzetközileg elismert szakértője. Többek között a hamburgi DESY-nél vagy az amerikai Stanfordban található SLAC National Accelator Laboratoryban is kutatott. Munkásságát számos díjjal ismerték el, többek között a Német Kutatási Alap Leibniz-díjával és a Philipp Morris kutatási díjával.