Guardiano del tempo

Intervista

Joachim Ullrich è presidente del PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Istituto Nazionale di metrologia) di Braunschweig. Qui sono conservati alcuni degli orologi più precisi del mondo. Nell'intervista, il fisico spiega come funzionano, come si interfacciano con l'ora mondiale e a che cosa serve calcolare con precisione i secondi fino alla sesta posizione decimale.

trends in automation: Professor Ullrich, il PTB è famoso per la precisione dei suoi orologi ed è considerato un'autorità in materia di orari. Ma, che cos'è realmente il tempo?

Prof. Joachim H. Ullrich: Si tratta di una questione piena di sfaccettature. Noi fisici la facciamo semplice e definiamo il tempo mediante processi prevedibili e ricorrenti, ad esempio la rotazione terrestre o un pendolo. Questa definizione così pragmatica ci è stata trasmessa da Albert Einstein, membro onorario del PTB e Nobel per la fisica. Il tempo, poi, è quello scandito dall'orologio. Da Einstein abbiamo appreso inoltre che il tempo è relativo, ad esempio trascorre più lentamente quando ci muoviamo o ci troviamo in difficoltà. E relativa è anche la percezione umana del tempo. Citando liberamente Einstein, due minuti in compagnia di una bella ragazza sembrano pochissimi, mentre due minuti su un forno caldo possono sembrare infinitamente lunghi.
Ci sono poi altre questioni molto dibattute, ad esempio se il tempo abbia un inizio e una fine e quanto duri di fatto il presente nella percezione umana. Anche l'orologio biologico e le peculiarità culturali in relazione al tempo sono argomenti attuali e di grande interesse trattati dalla scienza.

trends in automation: Come si misura il tempo?

Ullrich: Con un pendolo, ad esempio. Quanto più è corto, tanto più il pendolo oscilla velocemente e misura il tempo con maggiore precisione. Ancor più precisi sono gli orologi al quarzo, in cui un cristallo viene fatto oscillare con la tensione elettrica. Il cristallo oscilla più di 30.000 volte al secondo. Attualmente, però, gli orologi più precisi sono quelli atomici, anche se gli atomi al loro interno non oscillano. Al loro posto intervengono raggi elettromagnetici, più precisamente microonde. Oscillano molto più velocemente di un cristallo al quarzo, circa nove miliardi di volte al secondo. L'irradiazione delle microonde eccita gli elettroni degli atomi di cesio. E poiché questo metodo funziona soltanto se i raggi hanno una determinata frequenza di oscillazione, possiamo definire il valore di un secondo e determinarlo con grande precisione.
Ovviamente, dobbiamo controllare costantemente che il ciclo definito sia corretto e che gli elettroni vengano effettivamente eccitati. A tal fine, inviamo gli atomi di cesio in un raggio orizzontale attraverso i campi magnetici e delle microonde e, tramite un rilevatore posto nel punto opportuno, contiamo soltanto gli atomi i cui elettroni sono eccitati. Nei nostri due orologi più precisi, la disposizione è diversa e gli atomi di cesio vengono messi in perpendicolare verso l'alto come una fontana, attraverso il campo delle microonde. Quando ricadono, attraversano il campo cadendo una seconda volta. Con questi orologi atomici riusciamo a stabilire il secondo con una precisione di sedici posizioni decimali.

trends in automation: Una tale precisione non è necessaria per gli orologi da polso o gli orologi stradali. E allora a cosa serve una precisione così elevata?

Ullrich: Le imprecisioni si accumulano, e anche abbastanza velocemente. Per questo motivo, solo con orologi molto precisi possiamo garantire una precisione elevata a lungo termine. Inoltre, è importante misurare il tempo con precisione, soprattutto per questioni scientifiche. Uno degli argomenti caldi al PTB è, ad esempio, la questione dell'effettiva costanza delle costanti naturali, come la cosiddetta costante di struttura fine, su cui incidono anche la velocità della luce e il quanto d'azione (costante di Planck). Ci sono prove del fatto che non lo siano. Se questo sospetto venisse confermato, le conseguenze sarebbero enormi, perché molte leggi e molti modelli si basano sulle costanti naturali. Già negli anni Trenta, quando i secondi erano definiti ancora come frazione della rotazione terrestre, era successo che le misurazioni precise invalidassero alcune assunzioni date per certe. A quei tempi nel PTB abbiamo messo in funzione gli orologi al quarzo più precisi dell'epoca. I ricercatori hanno appurato che la Terra si muove sempre più lentamente e soprattutto in modo irregolare, non sempre alla stessa velocità, come presupponeva la definizione del tempo di allora.

trends in automation: Esistono applicazioni pratiche per gli orologi atomici?

Ullrich: Gli orologi atomici vengono impiegati, ad esempio, nei satelliti di localizzazione GPS americani o GLONASS russi e anche nei primi satelliti del sistema europeo, Galileo. Questi sistemi determinano la posizione in base ai tempi di trasmissione del segnale tra il satellite e la Terra e necessitano, pertanto, di indicazioni temporali estremamente precise. Anche i geodeti intendono tra poco fare misurazioni in ore nel cosmo. In questo modo, è possibile calcolare con estrema precisione la posizione relativa di due satelliti e aggiungere la loro variazione sul campo gravitazionale della Terra, per classificarli completamente. Con misurazioni simili sulla Terra e con orologi ancor più precisi, forse in futuro si potranno rilevare le distribuzioni differenti della massa e, quindi, localizzare le risorse minerarie. Questi sono temi su cui stiamo lavorando insieme a molti ricercatori del QUEST, il cluster di eccellenza della Leibniz Universität Hannover.

trends in automation: Gli orologi sui satelliti hanno la stessa struttura complessa degli orologi atomici del PTB?

Ullrich: Si basano sullo stesso principio, ma sono un po' più compatti e non devono essere altrettanto precisi. Grazie all'attuale trasmissione di segnali, però, le differenze si sono ridotte. Al giorno d'oggi, si possono comprare orologi atomici per molti scopi. Costano tra i 100 € e i 100.000 € per le applicazioni terrestri, ovviamente per le applicazioni satellitari costano di più, e grazie alla collaudata tecnologia in genere funzionano per molti anni senza bisogno di manutenzione.

Informazioni di prima mano: intervista al prof. Joachim H. Ullrich.

Informazioni di prima mano: intervista al prof. Joachim H. Ullrich.

trends in automation: Dicono che la tecnologia sia ben collaudata. Ma è possibile che un orologio atomico, come ad esempio quello presente qui al PTB, si guasti?

Ullrich: In linea di principio, ovviamente, è possibile, ma abbiamo delle scorte. Solo al PTB, quattro orologi atomici sanciscono il nostro contributo all'ora mondiale. Ad esempio, per la trasmissione dell'ora per gli orologi radiocontrollati, che a Mainflingen, vicino a Francoforte, avviene tramite un trasmettitore a onde corte, lì ci sono altri tre orologi atomici che vengono sincronizzati regolarmente con gli orologi del PTB.

trends in automation: Come si fa ad avere la certezza che gli orologi di tutto il mondo segnino l'ora giusta?

Ullrich: Come già accennato, esiste la cosiddetta ora mondiale, che vale per 24 fusi orari e viene stabilita da circa 400 orologi atomici al mondo. Gli orologi vengono confrontati tra loro e viene determinato un valore medio. Ai fini di questo calcolo, gli orologi meno precisi hanno una preponderanza inferiore rispetto a quelli più precisi. Infine, si controlla se il valore coincide con quello dei migliori orologi al mondo, tra cui anche i nostri orologi atomici del PTB. Sulla base di questi valori il BIPM, l'ufficio internazionale dei pesi e delle misure che dal 1875 ha sede a Sèvres, nei pressi di Parigi, decreta l'ora mondiale. Attualmente ciò avviene una volta al mese. A tal fine, è importante anche che tutti gli orologi atomici siano riferiti a un'altitudine, perché anche il tempo, secondo Einstein, è correlato al campo gravitazionale.

trends in automation: Per quanto tempo ancora l'attuale definizione di tempo rimarrà in vigore, presumibilmente?

Ullrich: Sicuramente ancora per qualche anno, anche se la prossima generazione di orologi è già alle porte. I cosiddetti orologi ottici saranno presumibilmente almeno cento volte più precisi dei migliori orologi atomici. Funzionano in base a un principio analogo. Le radiazioni con cui eccitiamo gli elettroni hanno una frequenza di oscillazione 100.000 volte superiore e rientrano in un campo visibile. Al posto delle microonde, gli orologi ottici funzionano con la luce di laser estremamente precisi.
Al PTB abbiamo già due diversi orologi ottici, entrambi circa dieci volte più precisi degli orologi atomici. Nei prossimi anni, per la prima volta, confronteremo diversi orologi ottici nel mondo e osserveremo se segnano la stessa ora e con quale imprecisione. Si continuerà così almeno fino a quando la definizione di un secondo non si adeguerà alle nuove possibilità tecniche.

trends in automation: Che importanza riveste la collaborazione con partner internazionali in queste innovazioni?

Ullrich: Noi meteorologi internazionali collaboriamo a stretto contatto in modo costruttivo sin dalla sottoscrizione della Convenzione del metro nel 1875, ed è un aspetto che trovo molto piacevole. Ovviamente c'è anche la concorrenza. Alla fine della giornata, tutti vogliono l'orologio migliore. Da questo punto di vista possiamo essere molto orgogliosi. I nostri orologi atomici a fontana sono tra i più precisi al mondo. E nell'ambito degli orologi ottici siamo impegnati in un amichevole testa a testa con l'istituto con cui collaboriamo, il National Institute of Standard and Technology (in breve NIST) negli USA.

trends in automation: Si occupano con grande professionalità e impegno dell'argomento. Questo incide anche sul suo rapporto personale con il tempo?

Ullrich: Trovo che il tempo sia un bene estremamente prezioso. Per questo cerco di sfruttarlo al meglio. Ad esempio, eseguo diverse attività che richiedono la massima concentrazione un blocco alla volta, e non mi piace essere interrotto perché altrimenti lavoro con meno efficienza e devo sempre ricominciare da capo. Per questo, mi dedico a queste fasi di lavoro più che altro la mattina o nel weekend, quando non sono distratto dal cellulare o da Internet.
La cosa più difficile è conciliare il tempo dedicato al lavoro con quello dedicato alla famiglia. Questo dipende anche un po' dal fatto che il mio lavoro mi piace e spesso non mi sembra neanche di lavorare. E allora mi dimentico proprio di che ora è.

Prof. Dr. Joachim Ullrich

Dal 2012 Joachim Ullrich è presidente del Physikalisch-Technische Bundesanstalt di Braunschweig, l'Istituto Nazionale di Metrologia tedesco. In precedenza è stato direttore del Max-Planck-Institut di fisica nucleare di Heidelberg, in cui dirigeva il reparto di "dinamica quantistica multiparticellare sperimentale". È celebre a livello internazionale non solo come presidente del PTB, ma anche in qualità di esperto di fisica quantistica e per gli esperimenti con i laser a elettroni liberi, ad esempio presso il DESY di Amburgo o lo SLAC National Accelerator Laboratory di Stanford, USA. Ha ricevuto vari riconoscimenti per il suo lavoro, tra cui la borsa di studio Gottfried-Wilhelm-Leibniz della Deutsche Forschungsgemeinschaft (Fondazione tedesca per la ricerca) e il premio di ricerca Philipp Morris.

www.ptb.de

  1. Questo articolo è apparso nella rivista per i clienti Festo trends in automation 2.2013
  2. Foto: Fotodesign Bierwagen

settembre 2013

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