Joachim Ullrich is voorzitter van de Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig. Hier tikken klokken die tot de nauwkeurigste klokken ter wereld behoren. In het interview legt de natuurkundige uit hoe ze werken, wat de wereldtijd is en waarvoor het goed is om één seconde tot zestien cijfers achter de decimale komma te bepalen.
trends in automation: Professor Ullrich, de Physikalisch-Technische Bundesanstalt staat bekend om hun precieze klokken en is dus een autoriteit op het gebied van tijd. Maar wat is tijd eigenlijk?
Prof. dr. Joachim H. Ullrich: Dit is een vraag met vele aspecten. Wij natuurkundigen maken het onszelf gemakkelijk en definiëren tijd op basis van voorspelbare, terugkerende processen, zoals de rotatie van de aarde of een slinger. Deze zeer pragmatische definitie werd reeds gebruikt door Nobelprijswinnaar en PTB-conservator Albert Einstein. In die zin is tijd dus wat de klok aangeeft. Sinds Einstein weten we echter ook dat de tijd relatief is, bijvoorbeeld dat die langzamer gaat als we in beweging zijn of in een gravitatieveld. Ook de menselijke perceptie van tijd is relatief. Weer vrij volgens Einstein: twee minuten in het gezelschap van een leuk meisje lijken erg kort te zijn, terwijl twee minuten op een hete kachel oneindig lang aanvoelen.
Daarnaast zijn er veel open vragen, zoals of de tijd een begin of een einde heeft en hoe lang het heden eigenlijk duurt in de menselijke waarneming. Ook de biologische klok en culturele bijzonderheden in de omgang met de tijd zijn zeer interessante, actuele onderwerpen in de wetenschap.
trends in automation: Hoe wordt de tijd gemeten?
Ullrich: Bijvoorbeeld met een slinger. Hoe korter de slinger, hoe sneller deze slingert en hoe nauwkeuriger de tijd kan worden gemeten. Nog nauwkeuriger zijn kwartsklokken, waarin een kristal met elektrische spanning tot trillen wordt gebracht. Die trilt meer dan 30.000 keer per seconde. De meest nauwkeurige klokken zijn op dit moment de atoomklokken, ook als de atomen daarin zelf niet trillen. In plaats daarvan gebruiken we elektromagnetische straling, meer specifiek microgolven. Deze trillen veel sneller dan een kwartskristal, ongeveer negen miljard keer per seconde. We gebruiken microgolfstraling om elektronen uit cesiumatomen op te wekken. En omdat dit alleen werkt als de straling een zeer specifieke trillingsfrequentie heeft, kunnen we deze gebruiken om de waarde van een seconde te definiëren en ook zeer nauwkeurig te bepalen.
Natuurlijk moeten we voortdurend controleren of we het juiste ritme aangeven en of we de elektronen echt stimuleren. We sturen de cesiumatomen in een horizontale straal eerst door magnetische en microgolfvelden en dan, met een slim geplaatste detector, tellen we alleen nog maar atomen met gestimuleerde elektronen. In onze twee meest nauwkeurige klokken hebben we een andere opstelling en schieten we de cesiumatomen als een fontein verticaal omhoog door het microgolfveld. Bij het neervallen doorlopen ze het veld nog een tweede keer. Met deze atoomklokken kunnen we de seconde tot 16 cijfers achter de komma precies bepalen.
trends in automation: Zo nauwkeurig hoeven horloges of stationsklokken echter niet te zijn. Waarvoor heeft men deze hoge precisie nodig?
Ullrich: Onnauwkeurigheden stapelen zich relatief snel op. Daarom kunnen we een hoge nauwkeurigheid op de lange termijn alleen garanderen met zeer nauwkeurige klokken. Daarnaast is de exacte tijdsmeting vooral bij wetenschappelijke onderwerpen belangrijk. Een van onze belangrijkste onderwerpen bij de PTB is bijvoorbeeld de vraag of natuurlijke constanten, zoals de zogenaamde fijnstructuurconstante, waarin o.a. de lichtsnelheid en de constante van Planck zijn opgenomen, werkelijk constant zijn. Er zijn aanwijzingen dat dit niet het geval is. Als dit waar is, heeft dit verregaande gevolgen omdat vele wetten en modellen op deze natuurlijke constanten gebaseerd zijn. Overigens ontdekten onderzoekers al in de jaren dertig van de vorige eeuw, toen de seconde nog gedefinieerd werd als een fractie van de rotatie van de aarde, dat nauwkeurige metingen vele aannames konden torpederen waarvan men dacht dat ze zeker waren. Op dat moment werden hier bij PTB de meest nauwkeurige kwartsklokken van hun tijd in gebruik genomen. De onderzoekers ontdekten dat de aarde steeds langzamer en vooral ook onregelmatiger roteert en niet, zoals destijds werd aangenomen voor de tijdsdefinitie, altijd met dezelfde snelheid.
trends in automation: Zijn er ook praktische toepassingen voor atoomklokken?
Ullrich: Atoomklokken tikken bijvoorbeeld op de plaatsbepalingssatellieten voor het Amerikaanse GPS-systeem of het Russische GLONASS en ook voor de eerste satellieten van het Europese Galileo. Deze systemen bepalen locaties via signaaltijden tussen satelliet en aarde en hebben daarom zeer nauwkeurige tijdinformatie nodig. Ook geografische gegevens worden binnenkort met klokken in het heelal gemeten. Hierdoor kan de relatieve positie van twee satellieten met hoge precisie worden gemeten en kan hun verandering ten opzichte van het zwaartekrachtsveld van de aarde worden afgeleid, waardoor het zwaartekrachtsveld van de aarde volledig in kaart wordt gebracht. Met gelijkaardige metingen op aarde en nog nauwkeuriger klokken zal het in de toekomst zelfs mogelijk zijn om verschillende massaverdelingen te detecteren en zo ook minerale bronnen te ontdekken. Momenteel werken we samen met veel onderzoekers in het QUEST-expertisecluster van de Leibniz Universität Hannover aan dergelijke onderwerpen.
trends in automation: Hebben de klokken op de satellieten dezelfde complexe structuren als de atoomklokken van de PTB?
Ullrich: Ze werken volgens hetzelfde principe, maar zijn zeker compacter en hoeven niet zo nauwkeurig te zijn. Door de vroegere signaaltransmissie zijn er toch al kleinere afwijkingen. Vandaag de dag kan men atoomklokken voor vele doeleinden gewoon kopen. Ze kosten tussen enkele honderden tot ongeveer honderdduizend euro voor toepassingen op aarde – voor satelliettoepassingen zijn ze aanzienlijk duurder – en zijn meestal jarenlang onderhoudsvrij dankzij de geavanceerde technologie.
trends in automation: U stelt dat de techniek uitontwikkeld is. Kan een atoomklok zoals die hier in de PTB staat toch uitvallen?
Ullrich: Dat is natuurlijk altijd mogelijk, maar wij hebben reserves. Alleen in de PTB tikken via primaire atoomklokken waarmee we onze bijdrage aan de wereldtijd leveren. En om bijvoorbeeld de tijd voor radioklokken, die via een langegolfzender in Mainflingen bij Frankfurt worden uitgezonden, te leveren, zijn er nog drie andere atoomklokken ter plaatse, die regelmatig met de PTB-klokken worden gesynchroniseerd.
trends in automation: Hoe wordt ervoor gezorgd dat de klokken overal ter wereld de juiste tijd aangeven?
Ullrich: Zoals eerder gezegd, is er de zogenaamde wereldtijd, die geldt voor 24 tijdzones en wordt bepaald door ongeveer 400 atoomklokken wereldwijd. De klokken worden met elkaar vergeleken en een gemiddelde waarde berekend. Daarbij worden minder precieze klokken minder gewogen dan nauwkeurigere klokken. Tenslotte wordt gecontroleerd of deze waarde overeenkomt met de beste klokken ter wereld, waartoe ook onze atoomklokken op de PTB behoren. Het internationale bureau voor gewichten en maten, het BIPM, dat sinds 1875 in het Franse Sèvres bij Parijs gevestigd is, geeft de aldus bepaalde waarden uit als wereldtijd. Momenteel gebeurt het een keer per maand. Bovendien is het belangrijk dat alle atoomklokken gerelateerd zijn aan een bepaalde hoogte, want volgens Einstein is de tijd ook afhankelijk van het gravitatieveld.
trends in automation: Hoelang denkt u dat de momentele definitie van tijd nog zal gelden?
Ullrich: Dat duurt zeker nog enkele jaren, maar de volgende generatie klokken is al inzicht. Deze zogenaamde optische klokken zullen waarschijnlijk minstens honderd keer nauwkeuriger zijn dan de beste atoomklokken van vandaag. Ze functioneren volgens een soortgelijk principe. De straling waarmee we hier elektronen stimuleren, heeft echter een trillingsfrequentie die 100.000 keer hoger ligt en zich in het zichtbare bereik bevindt. In plaats van microgolfstraling werken de optische klokken dus met licht van zeer nauwkeurige lasers.
Bij PTB hebben we al twee verschillende optische klokken, die beide ongeveer tien keer nauwkeuriger zijn dan onze atoomklokken. In de komende jaren zullen we echter eerst verschillende optische klokken wereldwijd moeten vergelijken en kijken of en met welke onzekerheid ze allemaal hetzelfde tikken. Het zal ten minste ook zo lang duren voordat de definitie van een seconde is aangepast aan de nieuwe technische mogelijkheden.
trends in automation: Welke rol speelt de samenwerking met internationale partners bij dergelijke nieuwe ontwikkelingen?
Ullrich: Sinds de ondertekening van de Meterconventie in 1875 werken wij als metrologen zeer nauw en constructief samen op internationaal niveau, en dat vind ik erg prettig. Maar er heerst natuurlijk ook concurrentie. Uiteindelijk wil iedereen de beste klok hebben. Wat dat betreft zijn we best succesvol. Onze fontein-atoomklokken behoren tot de nauwkeurigste klokken ter wereld. En op het gebied van optische horloges zijn we momenteel bezig met een vriendschappelijke nek-aan-nekrace met ons partnerinstituut, het National Institute of Standard and Technology (NIST) in de VS.
trends in automation: U werkt beroepshalve zeer intensief aan het onderwerp. Beïnvloed dat ook uw persoonlijke houding tot de tijd?
Ullrich: Ik ervaar tijd als iets extreem waardevols. Daarom probeer ik mijn tijd optimaal te besteden. Ik werk bijvoorbeeld aan taken waarvoor een zeer intensieve concentratie nodig is zoveel mogelijk in blokken. Daarbij wordt ik ook liever niet gestoord omdat je zo erg inefficiënt werkt en steeds weer van voren moet beginnen. Daarom maak ik mezelf in zulke werkfasen relatief onafhankelijk van mobiele telefoons en internet, meestal 's morgens vroeg of in het weekend.
Het is moeilijk om je werktijd af te stemmen met de tijd die je met je gezin doorbrengt. Dat heeft er mee te maken dat ik graag werk en mijn werk vaak niet als werk ervaar. Dan vergeet ik ook wel eens de tijd.
Joachim Ullrich is sinds 2012 voorzitter van de Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig, het nationale metrologie-instituut van Duitsland. Daarvoor was hij directeur van het Max Planck Instituut voor Kernfysica in Heidelberg, waar hij de afdeling "Experimentele Multiparticle Quantum Dynamics" leidde. Hij geniet niet alleen internationale erkenning als voorzitter van de PTB, maar ook als expert op het gebied van de kwantumfysica en voor experimenten met vrije elektronenlasers, bijvoorbeeld bij DESY in Hamburg of bij het SLAC National Accelator Laboratory in Stanford (VS). Voor zijn werk ontving hij verschillende prijzen, waaronder de Gottfried-Wilhelm-Wilhelm-Leibniz-Förderpreis van de Deutsche Forschungsgemeinschaft en de Philipp Morris Onderzoeksprijs.