Verdens første atomarmbåndsur vil holde tid på din rejse til Mars

John Patterson er en ydmyg urmager i Kauai, Hawaii, der i de sidste fem år har lavet stille verdens første atomvagt på forbrugerniveau. Lad tusind år passere, og dette ur vil kun tabe et sekund i nøjagtighed. Tag det dybt under vandet, inde i en inferno: Tiden holder tikkende. Eller hvis du føler dig eventyrlystne, tag den til rummet. Tag det til Mars.

Det vil holde tid.

Patterson har en Ph.D. i neurovidenskab, men han har hældt sin egen hjernekraft til urmageri. Han driver sit firma, Bathys Hawaii, fra sit hus på Garden Isle. "Filosofien var altid, at det ikke var bare en rig fyr, som fortjente at have et godt ur," fortæller han Inverse. Bathys kommer fra det græske ord " bathus, "Som betyder" dyb "- bogstaveligt og billedligt. Mens hans ure vil forblive sande på store dybder, vil hans atomvagt også forblive sandt i store højder. Mars højder.

Et bidrag på $ 200 mio. Forsvarsforskningsprojekt agentur har ført til oprettelsen af ​​den lille atomchip inde i Bathys Hawaii Cesium 133, forklarer Patterson. Men da han opdagede at chipsne var til rådighed, tog han et "gammelt OMEGA ur", som han havde stuvet i en skuffe, solgt det på eBay, købte en atomchip og - ved hjælp af en eller to andre hawaiere - kom til at arbejde

Han vidste, at han var nødt til at bruge atomkernerne til deres sandeste kald: ure. Den internationale anden er trods alt defineret af cæsium: Dens strålingsfrekvens er 9,192,631,770 Hz, hvilke forskere i 1950'erne koblede sig til ephemeris tid. Mens andre ure udsættes for relativistiske virkninger ved høje hastigheder, gør cæsieklokker ikke det. Frekvensen forbliver den samme, og tiden forbliver nøjagtig. Så Patterson, chip-in-hand, fik arbejde. Snart havde han en fungerende, utrolig præcis armbåndsur; han tog prototypen til Kickstarter i 2014. Om få dage havde han næsten fordoblet sit fundraisingmål.

Inverse talte med Patterson om teknologien bag Cesium 133 uret, om rumrejser og om hvor snart vi alle vil have atomklokker. (Hint: Snart. Men de kan ikke være ure i sig selv.)

Hvordan virker cæsium 133?

Det er ret komplekst. Ikke alene måtte vi designe uret ved hjælp af denne chip, et genopladeligt batteri osv., Men vi skulle også designe en ekstern basestationstype, der virker til at oplade uret. Men hovedsagelig arbejder det at sætte uret så præcist som muligt. Disse ure kan indstilles til inden for mindre end 100 nanosekunder - det er hundrede milliarder af et sekund - til den nøjagtige internationale standardtid for kloden. Når de er sat, er de nøjagtige til et sekund i tusind år. Uret på din telefon eller computer - de fleste er kun nøjagtige til omkring 200 millisekunder. Det er den fejl, som dette ur udvikler sig i 200 år.

GPS'en er færdig! Dette trækker ned en præcis tidspuls for at indstille Cesium 133 inden for 20 mia. Sekund.

Et billede indsendt af Bathys Hawaii (@bathys_hawaii) på

Vi måtte kopiere det samme militæret gør, når de vil sætte en af ​​deres atomur. Selv GPS-modtagere er slukket af flere hundrede millisekunder: Computeren bruger hele tiden til at behandle positionsdataene, og ikke tiden. Så vi var nødt til at lave vores egen GPS-enhed, der grundlæggende fokuserer på at bare passere tidsdata uden nogen forsinkelse overhovedet. Det suger bare det ud af rummet og sender det direkte til uret uden nogen forsinkelse overhovedet.

Fra hvad jeg forstår, er cæsium ure tiltalende ikke kun på grund af deres nøjagtighed, men også fordi de holder deres nøjagtighed under mange forhold.

Jep. Temperatur er en stor ting i timekeeping. Så du kan gå op til omkring 150 grader Celsius eller ned til omkring minus 20 grader Celsius, og det forbliver nøjagtigt.

Når du har indstillet denne klokke nøjagtigt, hvis du tilslutter det til accelerometeret og kompassen og de interne inertialenheder i din telefon - som i grunden registrerer hældning, acceleration og alle de ting - det kan fungere som sin egen GPS uden at være i kontakt med GPS. Det kan nøjagtigt spore din placering ned til 10 centimeter i dage, i måneder.

Der er så mange mulige teknologier, der kan vokse ud af det. Hvis du er brandmand i New York City og nødt til at skynde dig i en brændende skyskraber, vil du miste din GPS, så du ikke kan kommunikere din position til andre brandmænd. Men hvis alle havde synkroniseret dette ur, kunne det bare tale om de normale radiofrekvenser, og det kunne fortælle dem, hvor de var. Det er ligegyldigt, om de er i en hule, i en brændende bygning eller under vandet: Hvor som helst du ikke kan få GPS, kan du få din placering.

Eller plads.

Eller plads. Eller i en tunnel med din selvkørende bil.

Kan det her være noget, som folk, der ønskede at gå til Mars, kunne bruge til at holde tid?

Først og fremmest, en lille side note: Jeg var faktisk på shortlisten for at være i et af Mars habitats. Den ene her i Hawaii. Jeg kom igennem til det allerførste valg. De valgte seks, og jeg var i slutningen 30. Jeg tror, ​​jeg var for gammel, og jeg er glad for helvede, at jeg ikke fik at gøre det. De kom lige ud den anden dag, og nu er jeg som: 'Jeg er så glad for, at det ikke er mig.' Fyren kysser sin kone for første gang om året - Jeg er ligesom, 'Hell no.'

Et regelmæssigt ur ville arbejde i nogen grad i rummet. Et kvartsur vil holde tid i rummet - det er ikke som om det slet ikke vil fungere. Men der er relativistiske virkninger af at bevæge sig hurtigt.

Hvis din GPS ikke tager højde for rejsetiden til satellitten, i stedet for at kunne finde dig inden for seks eller syv fødder, som din telefon gør lige nu, går den ud til 35 kilometer. Det er så vigtigt, at den relativistiske virkning tages i betragtning. Lysets hastighed og satellithastigheden er så hurtig, at den lidt ændrer tiden.

Det er virkelig nemt at forklare, hvordan cæsiet fungerer. Grunden til at tænke på det er, at cæsiet er næsten som et spejl. Hvis du gør det vibrerende med den nøjagtige frekvens af de ni milliarder cykler pr. Sekund, virker det som et spejl. Uanset hvilken energi du skyder på, skyder den tilbage på dig. Ved enhver anden frekvens er det som et sort stykke fløjl: Det absorberer energien. Lige når det kommer til den nøjagtige frekvens, og du bombarderer den med din mikrobølgeovn, begynder alle dine mikrobølger pludselig at hoppe tilbage. Og det betyder, at du spikede det.

Det er et fysisk kendetegn ved cæsium. Det har intet at gøre med radioaktivt noget. Cæsium er som kviksølv, næsten - det er en væske. Når du opvarmer det, bliver det til en gas. Inde i den lille celle er der en lille varmelegeme, der opvarmer gasen, bombarderer den med radiobølger og ser efter denne refleksion. Den egentlige internationale standard i et sekund er det antal vibrationer.

Det ændrer aldrig: Du går til rummet, det er det samme. Du går tæt på lysets hastighed - ændrer ikke. Mens hvis du tog et kvartsur eller et mekanisk ur, og begyndte at tage det til super hurtige hastigheder, ville det få ting til at ændre sig, og det ville ikke være mere korrekt.

Vil disse chips finde deres vej ind i andre teknologier snart?

Jeg tror, ​​du vil se denne teknologi i dine smartphones og i dine selvkørende biler om cirka fem år. Det vil nok være mere som den GPS, der vises i din telefon. Pludselig ser du denne teknologi miniaturiseret til det punkt, hvor det kunne passe i en telefon. Lige nu er chippen størrelsen af ​​en lommeboks fra en fancy restaurant. Det er ret stort, og det kan ikke gøres meget mindre på grund af fysikemballagen, der skal passe ind der. Men hvis de kunne miniaturisere det endnu et niveau, så ville det synes overalt. Teknologien er ikke dyr at lave - det kunne helt sikkert gøres. Så jeg vil sige fem eller seks år, men jeg forventer ikke rigtig, at schweizeren er den ene. Jeg forventer mere, som Samsung eller Apple eller Google at være den ene.

Dette interview blev redigeret for kortfattet og klarhed.