'S Werelds eerste atomaire horloge houdt de tijd op je reis naar Mars

John Patterson is een bescheiden horlogemaker in Kauai, Hawaii, die de afgelopen vijf jaar stilletjes 's werelds eerste consument-niveau atoomwacht heeft gemaakt. Laat duizend jaar verstrijken en dit horloge verliest slechts een seconde nauwkeurig. Neem het diep onder water, in een inferno: de tijd blijft tikken. Of, als je avontuurlijk bent, neem het mee naar de ruimte. Breng het naar Mars.

Het zal tijd behouden.

Patterson heeft een Ph.D. in de neurowetenschappen, maar hij heeft zijn eigen denkkracht in de horlogemakerij gegoten. Hij runt zijn bedrijf, Bathys Hawaii, vanuit zijn huis op het Garden Isle. "De filosofie was altijd dat het niet alleen een rijke man was die het verdiende om een ​​mooi horloge te hebben," vertelt hij omgekeerde. Bathys komt van het Griekse woord " baqewj, "Wat" diep "betekent - letterlijk en figuurlijk. Hoewel zijn horloges op grote diepte zullen blijven, zal zijn atoomhorloge ook op grote hoogte waar blijven. Mars hoogten.

Een subsidie ​​van $ 200 miljoen aan Defence Advanced Research Projects Agency leidde tot de oprichting van de kleine atomische chip in de Bathys Hawaii Cesium 133, legt Patterson uit. Maar toen hij eenmaal ontdekte dat de chips beschikbaar waren om te kopen, pakte hij een 'oud OMEGA-horloge' dat hij in een la had opgeborgen, het op eBay had verkocht, een atoomchip had gekocht en - met de hulp van een of twee andere Hawaiianen - ging aan de slag.

Hij wist dat hij de atomaire chips moest gebruiken voor hun oprechtste roeping: horloges. De internationale tweede wordt tenslotte bepaald door cesium: de stralingsfrequentie is 9.192.631.770 Hz, die wetenschappers in de jaren vijftig verbonden hadden met efemeride-tijd. Terwijl andere klokken bij hoge snelheden het slachtoffer worden van relativistische effecten, doen cesiumklokken dat niet. De frequentie blijft hetzelfde en dus blijft de tijd nauwkeurig. Dus Patterson, chip-in-hand, ging aan de slag. Al snel had hij een functionerend, ongelooflijk nauwkeurig polshorloge; hij bracht het prototype naar Kickstarter in 2014. In slechts een paar dagen had hij zijn fondsenwervingsdoel bijna verdubbeld.

omgekeerde sprak met Patterson over de technologie achter het Cesium 133-horloge, over ruimtevaart, en over hoe snel we allemaal atoomwachten bezitten. (Hint: binnenkort, maar het zijn misschien geen horloges op zich.)

Hoe werkt de Cesium 133?

Het is behoorlijk ingewikkeld. We moesten niet alleen het horloge ontwerpen met behulp van deze chip, een oplaadbare batterij, enzovoort, maar we moesten ook een extern basisstation-achtig ding ontwerpen dat werkt om het horloge op te laden. Maar, vooral, het werkt om het horloge zo nauwkeurig mogelijk in te stellen. Deze horloges kunnen worden ingesteld op minder dan 100 nanoseconden - dat is een honderd-miljardste van een seconde - tot de exacte, internationale standaardtijd voor de hele wereld. Zodra ze zijn ingesteld, zijn ze tot duizend seconden nauwkeurig. De klok die op je telefoon of computer staat - de meeste zijn alleen nauwkeurig tot ongeveer 200 milliseconden. Dat is de fout die dit horloge in 200 jaar ontwikkelt.

De GPS is klaar! Dit trekt een nauwkeurige tijdpuls naar beneden om het Cesium 133 binnen 20 miljardsten van een seconde in te stellen.

Een foto geplaatst door Bathys Hawaii (@bathys_hawaii) op

We moesten hetzelfde kopiëren als het leger doet wanneer ze een van hun atoomklokken willen instellen. Zelfs GPS-ontvangers zijn enkele honderden milliseconden uitgeschakeld: de computer besteedt de hele tijd aan het verwerken van de locatiegegevens, en niet aan de tijd. Dus moesten we onze eigen GPS-eenheid maken die er in feite op is gericht om de tijdgegevens zonder enige vertraging helemaal door te geven. Het zuigt het gewoon uit de ruimte en stuurt het zonder enige vertraging rechtstreeks naar het horloge.

Van wat ik begrijp, cesium horloges zijn aantrekkelijk, niet alleen vanwege hun nauwkeurigheid, maar ook omdat ze hun nauwkeurigheid onder vele omstandigheden behouden.

JEP. Temperatuur is belangrijk in de tijdregistratie. U kunt dus oplopen tot ongeveer 150 graden Celsius of tot ongeveer minus 20 graden Celsius, en het blijft accuraat.

Zodra je deze klok nauwkeurig instelt, als je hem aansluit op de versnellingsmeter, het kompas en de interne inertie-eenheden in je telefoon - die in feite helling, versnelling en al die dingen opnemen - kan deze fungeren als zijn eigen GPS, zonder in contact moeten zijn met GPS. Het kan uw locatie tot dagen nauwkeurig volgen, dagenlang, tot maandenlang.

Er zijn zoveel mogelijke technologieën die daaruit kunnen voortkomen. Als je in New York City een brandweerman bent en een brandende wolkenkrabber binnen moet rennen, verlies je je GPS, zodat je je positie niet kunt communiceren met andere brandweerlieden. Maar als iedereen dit horloge had gesynchroniseerd, kon het gewoon over de reguliere radiofrequenties praten, en het kon hen vertellen waar ze waren. Het maakt niet uit of ze zich in een grot bevinden, in een brandend gebouw of onder water: overal waar je geen GPS kunt krijgen, kun je je locatie opvragen.

Of ruimte.

Of ruimte. Of in een tunnel met je zelfrijdende auto.

Zou dit horloge iets kunnen zijn dat mensen die naar Mars wilden gaan gebruiken om tijd te houden?

Ten eerste een kleine kanttekening: ik stond eigenlijk op de shortlist om in een van de Mars-habitats te zijn. Die hier in Hawaï. Ik kwam tot de allerlaatste selectie. Ze hebben er zes uitgezocht en ik was in de laatste 30. Ik denk dat ik te oud was en ik ben blij dat ik het niet heb mogen doen. Ze kwamen net uit de andere dag en nu denk ik: 'Ik ben zo blij dat ik het niet ben.' De man kust zijn vrouw voor de eerste keer in een jaar - ik heb zoiets van, 'Hell no.'

Een normaal horloge zou tot op zekere hoogte in de ruimte werken. Een quartz horloge houdt de tijd in de ruimte - het is niet alsof het helemaal niet gaat werken. Maar er zijn relativistische effecten van snel bewegen.

Als uw GPS geen rekening houdt met de reistijd naar de satelliet, in plaats van dat u binnen zes of zeven voet kunt vinden zoals uw telefoon dat nu doet, gaat deze uit naar 35 kilometer. Dat is hoe belangrijk het is dat het relativistische effect in aanmerking wordt genomen. De snelheid van het licht en de snelheid van de satelliet zijn zo snel dat het beetje van tijd verandert.

Het is heel gemakkelijk om uit te leggen hoe het cesium werkt. Kortom, de manier om erover na te denken is dat het cesium bijna een spiegel is. Als je het laat trillen op de exacte frequentie van die negen miljard cycli per seconde, werkt het als een spiegel. Welke energie je ook schiet, je schiet terug. Op elke andere frequentie is het als een zwart stuk fluweel: het absorbeert de energie. Precies als het op die exacte frequentie komt, en je bombardeert het met je magnetron, plotseling beginnen al je microgolven terug te stuiteren. En dat betekent dat je het hebt genageld.

Dat is een fysieke eigenschap van cesium. Het heeft niets te maken met radioactief alles. Cesium is als kwik, bijna - het is een vloeistof. Als je het opwarmt, wordt het een gas. In het kleine celje is een kleine kachel die het gas opwarmt, het met radiogolven bombardeert en naar deze reflectie zoekt. De feitelijke internationale standaard voor één seconde is dat aantal trillingen.

Dat verandert nooit: je gaat naar de ruimte, dat is hetzelfde. Je gaat dicht bij de snelheid van het licht - verandert niet. Terwijl als je een quartz horloge of een mechanisch horloge nam en het begon te nemen naar supersnelle snelheden, het dingen zou veranderen en het zou niet meer kloppen.

Zullen deze chips binnenkort hun weg vinden naar andere technologieën?

Ik denk dat je deze technologie in ongeveer vijf jaar op je smartphones en in je zelfrijdende auto's zult zien. Het zal waarschijnlijk meer lijken op de GPS die op je telefoon verschijnt. Ineens ziet u deze technologie zo miniaturiseren dat deze in een telefoon past. Op dit moment heeft de chip de grootte van een luciferdoosje van een chique restaurant. Het is behoorlijk groot en het kan niet veel kleiner worden gemaakt vanwege de physics-verpakkingsmaterialen die daar moeten passen. Maar als ze het nog een niveau verder kunnen miniaturiseren, dan zou het overal verschijnen. De technologie is niet duur om te maken - het kan zeker worden gedaan. Dus ik zou zeggen vijf of zes jaar, maar ik verwacht niet echt dat de Zwitser de ware is. Ik verwacht dat meer, zoals Samsung, of Apple, of Google degene is.

Dit interview is bewerkt voor beknoptheid en duidelijkheid.