Verdens første Atomic Armbåndsur vil holde tid på din reise til Mars

John Patterson er en ydmyk urmakler i Kauai, Hawaii, som de siste fem årene har gjort stille verdens første konsollnivå atomklokke. La tusen år passere, og denne klokken vil bare miste et sekund i nøyaktighet. Ta det dypt under vann, inne i en inferno: Tiden holder tikkende. Eller, hvis du føler deg eventyrlystne, ta den til plass. Ta det til Mars.

Det vil holde tid.

Patterson har en Ph.D. i nevrovitenskap, men han har høstet sin egen hjernekraft i urmakeri. Han driver sitt firma, Bathys Hawaii, fra sitt hus på Garden Isle. "Filosofien var alltid at det ikke bare var en rik fyr som fortjente å ha en fin klokke," forteller han Omvendt. Bathys kommer fra det greske ordet " bathus, "Som betyr" dyp "- bokstavelig og figurativt. Mens hans klokker vil bli sanne på store dybder, vil hans atomvakt forbli sant i store høyder også. Mars høyder.

Et 200 millioner dollar forsvarsavansert forskningsprosjektbyrå gir til grunn for etableringen av den lille atomskiven inne i Bathys Hawaii Cesium 133, forklarer Patterson. Men når han oppdaget at sjetongene var tilgjengelige for kjøp, tok han en "gammel OMEGA-klokke" som han hadde stuvet i en skuff, solgt den på eBay, kjøpte en atomskive og - ved hjelp av en eller to andre hawaiere - fikk jobbe

Han visste at han måtte bruke atomglassene for deres ekte ringe: klokker. Den internasjonale andre er dessuten definert av cesium: Dens strålingsfrekvens er 9 192 631 770 Hz, hvilke forskere i 1950-årene var koblet til ephemeris-tid. Mens andre klokker blir offer for relativistiske effekter ved høye hastigheter, gjør ikke cesium klokker det. Frekvensen forblir den samme, og tiden forblir nøyaktig. Så Patterson, chip-in-hand, fikk jobbe. Snart hadde han et fungerende, utrolig nøyaktig armbåndsur; Han tok prototypen til Kickstarter i 2014. På bare noen få dager hadde han nesten doblet sitt fundraisingmål.

Omvendt snakket med Patterson om teknologien bak Cesium 133-klokken, om romferie, og om hvor snart vi alle vil ha atomklokker. (Hint: Snart. Men de kan ikke være klokker i seg selv.)

Hvordan virker cesium 133?

Det er ganske komplisert. Ikke bare måtte vi designe klokken med denne brikken, et oppladbart batteri osv., Men vi måtte også designe en ekstern basestasjonstype som fungerer for å lade klokken. Men i hovedsak fungerer det å sette klokken så nøyaktig som mulig. Disse klokkene kan settes til innenfor mindre enn 100 nanosekunder - det er hundre milliarderste sekund - til eksakt, internasjonal standardtid for kloden. Når de er satt, er de nøyaktige til ett sekund på tusen år. Klokken som er på telefonen eller datamaskinen - de fleste er bare nøyaktige til omtrent 200 millisekunder. Det er feilen som dette klokken utvikler seg i 200 år.

GPS er ferdig! Dette trekker ned en nøyaktig tidspuls for å sette Cesium 133 innen 20 milliarderte sekund.

Et bilde lagt ut av Bathys Hawaii (@bathys_hawaii) på

Vi måtte kopiere det samme militæret gjør når de vil sette en av deres atomur. Selv GPS-mottakere er slått av med flere hundre millisekunder: Datamaskinen bruker hele tiden til å behandle posisjonsdataene, og ikke tiden. Så vi måtte lage vår egen GPS-enhet som i utgangspunktet fokuserer på å bare passere tidsdataene uten noen forsinkelse i det hele tatt. Det suger det bare ut av rommet og sender det rett til klokken uten noen forsinkelse i det hele tatt.

Fra hva jeg forstår, er cesium klokker appellerende ikke bare på grunn av deres nøyaktighet, men også fordi de holder nøyaktigheten under mange forhold.

Jepp. Temperatur er en stor ting i tidevannet. Så, du kan gå opp til ca 150 grader Celsius eller ned til omtrent minus 20 grader Celsius, og det forblir nøyaktig.

Når du har satt denne klokken nøyaktig, hvis du kobler den til akselerometeret, og kompasset og de interne tråkkene i telefonen - som i utgangspunktet registrerer helling, akselerasjon og alt det - kan det fungere som sin egen GPS uten å være i kontakt med GPS. Det kan nøyaktig spore posisjonen din ned til 10 centimeter i dager, i flere måneder.

Det er så mange mulige teknologier som kan vokse ut av det. Hvis du er en brannmann i New York City og må skynde deg i en brennende skyskraper, kommer du til å miste GPS-en din, slik at du ikke kommer til å kunne kommunisere din posisjon til andre brannmenn. Men hvis alle hadde synkronisert dette klokken, kunne det bare snakke over de vanlige radiofrekvensene, og det kunne fortelle dem hvor de var. Det spiller ingen rolle om de er i en hule, i en brennende bygning, eller under vann: hvor som helst du ikke kan få GPS, kan du få din plassering.

Eller plass.

Eller plass. Eller i en tunnel med din selvbilde bil.

Kan dette se på at noe folk som ønsket å gå til Mars, kunne bruke til å holde tid?

Først av, en liten side notat: Jeg var faktisk på shortlist å være i en av Mars habitats. Den ene her inne i Hawaii. Jeg kom fram til det aller siste utvalget. De plukket seks, og jeg var i finalen 30. Jeg tror jeg var for gammel, og jeg er glad i helvete at jeg ikke fikk det. De kom akkurat ut den andre dagen, og nå er jeg som: 'Jeg er så glad at det ikke er meg.' Fyren kysser sin kone for første gang i et år - jeg er som, 'Hell no.'

En vanlig klokke ville i noen grad jobbe i rommet. Et kvarts ur vil holde tid i rommet - det er ikke som det ikke kommer til å fungere i det hele tatt. Men det er relativistiske effekter av å bevege seg fort.

Hvis GPS-en din ikke tar hensyn til reisetiden til satellitten, i stedet for å kunne finne deg innen seks eller syv meter som telefonen gjør akkurat nå, går den ut til 35 kilometer. Det er så viktig at den relativistiske effekten er tatt i betraktning. Lysets hastighet og hastigheten til satellitten er så rask at den litt endrer tiden.

Det er veldig enkelt å forklare hvordan cesium fungerer. I utgangspunktet er måten å tenke på det at cesium er nesten som et speil. Hvis du gjør det til å vibrere med den nøyaktige frekvensen av de ni milliarder syklusene per sekund, virker det som et speil. Uansett hvilken energi du skyter på, skyter den tilbake på deg. Ved en hvilken som helst annen frekvens, er det som en svart fløyel: Den absorberer energien. Rett når det kommer til den nøyaktige frekvensen, og du bombarderer den med mikrobølgeovnen din, begynner alle dine mikrobølger plutselig å hoppe tilbake. Og det betyr at du spikret det.

Det er en fysisk egenskap av cesium. Det har ingenting å gjøre med radioaktivt noe. Cesium er som kvikksølv, nesten - det er en væske. Når du oppvarmer det, blir det en gass. Inne i den lille cellen er det en liten varmeveksler som oppvarmer gassen, bombarderer den med radiobølger, og ser etter denne refleksjonen. Den faktiske internasjonale standarden i ett sekund er det antall vibrasjoner.

Det endrer aldri: Du går til verdensrommet, det er det samme. Du går nær lysets hastighet - endres ikke. Mens hvis du tok et kvartsur eller en mekanisk klokke, og begynte å ta den til super raske hastigheter, ville det føre til at ting forandret seg, og det ville ikke være mer nøyaktig.

Vil disse sjetongene raskt finne frem til andre teknologier?

Jeg tror at du vil se denne teknologien i smarttelefonene og i bilene du kjører selv om fem år. Det vil trolig være mer som GPS som vises i telefonen. Alt plutselig ser du denne teknologien miniatyrisert til et punkt der det kunne passe i en telefon. Akkurat nå er brikken størrelsen på en kampboks fra en fancy restaurant. Det er ganske stort, og det kan ikke bli gjort mye mindre på grunn av fysikkemballasje som må passe inn der. Men hvis de kunne miniaturisere det enda ett nivå, så ville det virke overalt. Teknologien er ikke dyr å lage - det kan definitivt bli gjort. Så jeg vil si fem eller seks år, men jeg forventer ikke virkelig at sveitserne skal være den ene. Jeg forventer mer, som Samsung, eller Apple, eller Google å være den ene.

Dette intervjuet ble redigert for korthet og klarhet.