Pierwszy na świecie zegarek atomowy zachowa czas na podróż na Marsa

John Patterson jest skromnym zegarmistrzem na Hawajach w Kauai, który przez ostatnie pięć lat spokojnie tworzył pierwszy na świecie zegarek atomowy na poziomie konsumenckim. Niech minie tysiąc lat, a ten zegarek straci tylko sekundę dokładności. Zabierz to głęboko pod wodę, w piekło: Czas wciąż tyka. Lub, jeśli czujesz się żądny przygód, zabierz go w kosmos. Zabierz to na Marsa.

Będzie to czas.

Patterson ma doktorat w neuronauce, ale on przeniósł swoją własną moc umysłu na zegarmistrzostwo. Prowadzi swoją firmę Bathys Hawaii ze swojego domu na Garden Isle. „Filozofią zawsze było to, że nie tylko bogaty facet zasługiwał na miły zegarek”, mówi Odwrotność. Bathys pochodzi od greckiego słowa „ bathus, ”Co oznacza„ głęboko ”- dosłownie iw przenośni. Podczas gdy jego zegarki pozostaną prawdziwe na dużych głębokościach, jego atomowy zegarek pozostanie prawdziwy także na dużych wysokościach. Wysokości Marsa.

200 milionów dolarów grantu Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony doprowadziło do stworzenia małego układu atomowego wewnątrz cezu 133 Bathys Hawaii, wyjaśnia Patterson. Ale kiedy odkrył, że chipy są dostępne do zakupu, złapał „stary zegarek OMEGA”, który schował w szufladzie, sprzedał na eBayu, kupił chip atomowy i - z pomocą jednego lub dwóch innych Hawajczyków - do pracy.

Wiedział, że musi użyć chipów atomowych do najprawdziwszego wywołania: zegarków. Przecież międzynarodowa sekunda jest określona przez cez: jego częstotliwość promieniowania wynosi 9 192 671 770 Hz, co naukowcy w latach 50-tych powiązali z czasem efemerydalnym. Podczas gdy inne zegary padają ofiarą relatywistycznych efektów przy wysokich prędkościach, zegary cezowe nie. Częstotliwość pozostaje taka sama, więc czas pozostaje dokładny. Tak więc Patterson, w rozdaniu, zaczął pracować. Wkrótce miał funkcjonujący, niezwykle dokładny zegarek na rękę; wziął prototyp do Kickstarter w 2014 roku. W ciągu zaledwie kilku dni prawie podwoił swój cel pozyskiwania funduszy.

Odwrotność rozmawiał z Pattersonem o technologii zegarka Cesium 133, o podróżach kosmicznych io tym, jak szybko będziemy mieć wszystkie zegarki atomowe. (Podpowiedź: Wkrótce. Ale nie mogą być zegarkami per se.)

Jak działa cez 133?

To dość skomplikowane. Nie tylko musieliśmy zaprojektować zegarek za pomocą tego chipa, akumulatora, itd., Ale musieliśmy także zaprojektować zewnętrzną stację bazową, która działa w celu naładowania zegarka. Ale przede wszystkim działa tak dokładnie, jak to możliwe. Zegarki te można ustawić w czasie krótszym niż 100 nanosekund - czyli setną miliardową część sekundy - według dokładnego, międzynarodowego standardowego czasu na świecie. Po ustawieniu są dokładne z dokładnością do jednej sekundy na tysiąc lat. Zegar na telefonie lub komputerze - większość z nich ma dokładność do około 200 milisekund. To błąd, który ten zegarek rozwija w ciągu 200 lat.

GPS jest gotowy! W ten sposób uzyskuje się dokładny impuls czasu, aby ustawić cez 133 w ciągu 20 miliardów sekundy.

Zdjęcie opublikowane przez Bathys Hawaii (@bathys_hawaii) dnia

Musieliśmy skopiować to samo, co wojsko, kiedy chcą ustawić jeden ze swoich zegarów atomowych. Nawet odbiorniki GPS są wyłączone przez kilkaset milisekund: komputer spędza cały czas na przetwarzaniu danych o lokalizacji, a nie na czasie. Musieliśmy więc stworzyć nasz własny moduł GPS, który w zasadzie skupia się na przekazywaniu danych dotyczących czasu bez żadnych opóźnień. Po prostu wysysa to z przestrzeni i wysyła je prosto do zegarka bez żadnego opóźnienia.

Z tego, co rozumiem, zegarki cezowe są atrakcyjne nie tylko ze względu na ich dokładność, ale również dlatego, że zachowują swoją dokładność w wielu warunkach.

Tak. Temperatura jest ważna w pomiarach czasu. Tak więc możesz przejść do około 150 stopni Celsjusza lub do około minus 20 stopni Celsjusza i pozostaje on dokładny.

Po dokładnym ustawieniu zegara, jeśli podłączysz go do akcelerometru i kompasu oraz wewnętrznych jednostek bezwładności w telefonie - które zasadniczo rejestrują nachylenie, przyspieszenie i wszystkie inne rzeczy - może działać jak własny GPS, bez być w kontakcie z GPS. Może dokładnie śledzić Twoją lokalizację do 10 centymetrów przez kilka dni, przez kilka miesięcy.

Jest tak wiele możliwych technologii, które mogłyby z tego wyrosnąć. Jeśli jesteś strażakiem w Nowym Jorku i musisz spieszyć się do płonącego wieżowca, stracisz GPS, więc nie będziesz w stanie przekazać swojej pozycji innym strażakom. Ale gdyby wszyscy zsynchronizowali ten zegarek, mógł po prostu rozmawiać przez zwykłe częstotliwości radiowe i mógł im powiedzieć, gdzie się znajdują. Nie ma znaczenia, czy znajdują się w jaskini, w płonącym budynku, czy pod wodą: gdziekolwiek nie możesz zdobyć GPS, możesz uzyskać swoją lokalizację.

Albo przestrzeń.

Albo przestrzeń. Lub w tunelu z własnym samochodem.

Czy ten zegarek mógłby być czymś, co ludzie, którzy chcieli wyruszyć na Marsa, mogli wykorzystać, aby zatrzymać czas?

Po pierwsze, mała uwaga: byłem na krótkiej liście, aby znaleźć się w jednym z habitatów Marsa. Ten tutaj na Hawajach. Dotarłem do ostatecznego wyboru. Wybrali sześć, a ja byłem w finałowej 30. Myślę, że byłem za stary i cieszę się jak cholera, że ​​nie udało mi się tego zrobić. Po prostu wyszli pewnego dnia, a teraz myślę: „Tak się cieszę, że to nie ja”. Facet całuje swoją żonę po raz pierwszy od roku - tak mi się podoba „Piekło nie”.

Regularny zegarek działałby do pewnego stopnia w przestrzeni kosmicznej. Zegarek kwarcowy zachowa czas w kosmosie - to nie tak, że w ogóle nie zadziała. Istnieją jednak relatywistyczne efekty szybkiego poruszania się.

Jeśli Twój GPS nie uwzględnia czasu podróży do satelity, zamiast być w stanie zlokalizować Cię w promieniu sześciu lub siedmiu stóp, tak jak Twój telefon robi to teraz, wynosi on do 35 kilometrów. Tak ważne jest, aby wziąć pod uwagę efekt relatywistyczny. Prędkość światła i prędkość satelity jest tak duża, że ​​nieznacznie zmienia czas.

Bardzo łatwo jest wyjaśnić, jak działa cez. Zasadniczo, sposób myślenia o tym jest taki, że cez jest prawie jak lustro. Jeśli sprawisz, że będzie wibrował z dokładnością do dziewięciu miliardów cykli na sekundę, działa jak lustro. Jakakolwiek energia, którą do niej strzelasz, strzela do ciebie. Na każdej innej częstotliwości przypomina czarny kawałek aksamitu: pochłania energię. Właśnie wtedy, gdy dochodzi do tej dokładnej częstotliwości i bombardujesz ją swoją mikrofalą, nagle wszystkie twoje mikrofale zaczynają się odbijać. A to oznacza, że ​​go przybiłeś.

To fizyczna cecha cezu. Nie ma to nic wspólnego z radioaktywnością. Cez jest jak rtęć, prawie - jest cieczą. Po podgrzaniu zamienia się w gaz. Wewnątrz małej celi znajduje się mały grzejnik, który podgrzewa gaz, bombarduje go falami radiowymi i szuka tego odbicia. Rzeczywistym standardem międzynarodowym na jedną sekundę jest liczba wibracji.

To nigdy się nie zmienia: idziesz w kosmos, to samo. Zbliżasz się do prędkości światła - nie zmienia się. Podczas gdy wziąłeś zegarek kwarcowy lub zegarek mechaniczny i zacząłeś go stosować do bardzo szybkich prędkości, spowodowałoby to zmianę rzeczy i nie byłoby to już dokładne.

Czy te chipy znajdą się wkrótce w innych technologiach?

Myślę, że zobaczysz tę technologię na swoich smartfonach i samochodach samobieżnych za około pięć lat. Prawdopodobnie będzie to bardziej podobny do GPS, który pojawia się w telefonie. Nagle zobaczysz tę technologię zminiaturyzowaną do tego stopnia, że ​​zmieści się w telefonie. W tej chwili chip ma rozmiar pudełka zapałek z eleganckiej restauracji. Jest dość duży i nie może być znacznie mniejszy ze względu na fizykę, która musi się w nim znaleźć. Ale gdyby mogli miniaturyzować go jeszcze jeden poziom, to pojawiłby się wszędzie. Technologia nie jest kosztowna - z pewnością można to zrobić. Powiedziałbym więc pięć czy sześć lat, ale tak naprawdę nie oczekuję, że Szwajcar będzie jedynym. Oczekuję więcej, takich jak Samsung, Apple czy Google.

Ten wywiad został zredagowany dla zwięzłości i jasności.