První světové atomové hodinky na světě vám udrží čas na cestě na Mars

John Patterson je pokorný hodinář v havajském městě Kauai, který posledních pět let tiše dělá první atomové hodinky na úrovni spotřebitelů na světě. Nechte uplynout tisíc let a tyto hodinky ztratí jen přesnost. Vezměte ho hluboko pod vodu, uvnitř pekla: Čas stále tikne. Nebo, pokud se cítíte odvážně, vezměte ho do prostoru. Vezměte ho na Mars.

Udrží čas.

Patterson má Ph.D. v neurovědách, ale on si nalil vlastní mozek do hodinářství. Vede svou společnost, Bathys Hawaii, ze svého domu na Garden Isle. „Filozofií bylo vždy to, že to nebyl jen bohatý člověk, který si zasloužil mít pěkné hodinky,“ říká. Inverzní. Bathys pochází z řeckého slova „ bathus, Což znamená „hluboké“ - doslova i obrazně. Zatímco jeho hodinky zůstanou pravdivé ve velkých hloubkách, jeho atomové hodinky zůstanou pravdivé i ve velkých výškách. Výška Marsu.

$ 200 milión obranného pokročilého výzkumného projektu agenturní grant vedl k vytvoření malého atomového čipu uvnitř Bathys Havaj Cesium 133, vysvětluje Patterson. Jakmile však zjistil, že čipy jsou k dispozici ke koupi, popadl „staré hodinky OMEGA“, které uložil v šuplíku, prodal na eBay, koupil atomový čip a - za pomoci jednoho nebo dvou dalších havajů - do práce.

Věděl, že musí použít atomové čipy pro své nejpřesnější volání: hodinky. Mezinárodní sekunda, po tom všem, je definován cesium: Jeho radiační frekvence je 9,192,631,770 Hz, který vědci v padesátých létech spojili se k ephemeris času. Zatímco ostatní hodiny se při vysokých rychlostech stanou oběťmi relativistických efektů, cesiové hodiny ne. Frekvence zůstává stejná, takže čas zůstává přesný. Takže Patterson, chip-in-hand, se dostal do práce. Brzy měl funkční, neuvěřitelně přesné hodinky; vzal prototyp do Kickstarteru v roce 2014. Za pár dní téměř zdvojnásobil svůj fundraisingový cíl.

Inverzní Promluvil s Pattersonem o technologii za hodinami Cesium 133, o cestování vesmírem ao tom, jak brzy budeme mít všechny vlastní atomové hodinky. (Tip: Brzy ale nesmí být hodinky, jako takové.)

Jak funguje Cesium 133?

Je to dost složité. Nejen, že jsme museli navrhovat hodinky pomocí tohoto čipu, dobíjecí baterie, atd., Ale také jsme museli navrhnout externí základnovou stanici typu, která pracuje na nabíjení hodinek. Ale hlavně to funguje tak, aby hodinky byly nastaveny co nejpřesněji. Tyto hodinky mohou být nastaveny na méně než 100 nanosekund - což je sto miliardtina sekundy - na přesný mezinárodní standardní čas pro zeměkouli. Jakmile jsou nastaveny, jsou přesné na jednu sekundu za tisíc let. Hodiny, které jsou v telefonu nebo v počítači, jsou většinou přesné pouze na 200 milisekund. To je chyba, kterou se tyto hodinky vyvíjejí za 200 let.

GPS je hotovo! Tím se sníží přesný časový impuls, aby se cesium 133 nastavilo do 20 miliardtin sekundy.

Fotografie zaslané Bathys Hawaii (@bathys_hawaii) na

Museli jsme kopírovat to samé, co dělá armáda, když chtějí nastavit jednu ze svých atomových hodin. Dokonce i přijímače GPS jsou vypnuty o několik set milisekund: Počítač tráví veškerý čas zpracováním dat o poloze a ne času. Takže jsme museli vyrobit vlastní GPS jednotku, která se v podstatě zaměřuje na prosté procházení časovými údaji bez jakéhokoliv zpoždění. Je to prostě saje to z vesmíru a posílá ho přímo do hodinek bez jakéhokoliv zpoždění vůbec.

Z toho, co chápu, jsou cesiové hodinky přitažlivé nejen kvůli jejich přesnosti, ale také proto, že si uchovávají přesnost v mnoha podmínkách.

Jo. Teplota je v časomíře velká věc. Takže můžete jít až na 150 stupňů Celsia nebo dolů na mínus 20 stupňů Celsia a zůstane přesný.

Jakmile tyto hodiny přesně nastavíte, pokud jej připojíte k akcelerometru a kompasu a vnitřním setrvačným jednotkám v telefonu - které v podstatě zaznamenávají sklon, zrychlení a všechny tyto věci - může fungovat jako vlastní GPS, musí být v kontaktu s GPS. To může přesně sledovat vaši polohu až 10 centimetrů dnů, měsíců.

Existuje mnoho možných technologií, které by z toho mohly vyrůstat. Pokud jste hasič v New Yorku a musíte spěchat do horícího mrakodrapu, ztratíte svůj GPS, takže nebudete schopni svou pozici sdělit jiným hasičům. Ale kdyby se všichni tyto hodinky synchronizovali, mohlo by to jen mluvit o pravidelných rádiových frekvencích a mohlo by jim to říct, kde jsou. Nezáleží na tom, zda jsou v jeskyni, v hořící budově nebo pod vodou: kdekoliv, kde nemůžete získat GPS, můžete získat svou polohu.

Nebo prostor.

Nebo prostor. Nebo v tunelu s vlastním autem.

Mohly by být tyto hodinky něco, co by lidé, kteří chtěli jít na Mars, mohli využít k udržení času?

Za prvé, malá strana: Vlastně jsem byl na užším seznamu, abych se ocitl v jednom ze stanovišť Marsu. Ten tady na Havaji. Dostal jsem se k poslednímu výběru. Vybrali šest a já jsem byl ve finále 30. Myslím, že jsem byl příliš starý a jsem rád, že jsem to neudělal. Právě vyšli druhý den a teď jsem rád, „Jsem tak rád, že to nejsem já.“ Ten chlap poprvé líbá svou ženu za rok - mám rád, 'peklo ne'.

Pravidelné hodinky by do určité míry fungovaly ve vesmíru. Hodinky s křemenem udrží čas ve vesmíru - není to, jako by to vůbec nefungovalo. Ale jsou zde relativistické účinky rychlého pohybu.

Pokud váš GPS nepředstavuje čas na cestu do satelitu, místo aby vás mohl najít do šesti nebo sedmi stop, jako je tomu u telefonu právě teď, vyjede na 35 kilometrů. Je důležité, aby byl vzat v úvahu relativistický efekt. Rychlost světla a rychlost satelitu je tak rychlá, že mírně mění čas.

Je velmi snadné vysvětlit, jak cesium funguje. V podstatě je způsob, jak přemýšlet o tom, že cesium je téměř jako zrcadlo. Pokud to uděláte vibrovat na přesné frekvenci, že devět miliard cyklů za sekundu, působí jako zrcadlo. Ať už na to střílíte, střílí na vás. Na jakékoli jiné frekvenci je to jako černý samet: Pohlcuje energii. Hned, jak se dostane k této přesné frekvenci a bombardujete ji mikrovlnnou troubou, všechny vaše mikrovlnné trouby se začnou odrazit. A to znamená, že jste to přibili.

To je fyzikální charakter cesia. Nemá to nic společného s radioaktivním ničím. Cesium je jako rtuť, téměř kapalina. Když ho zahřejete, obrátí se na plyn. Uvnitř malé cely je malý ohřívač, který ohřívá plyn, bombarduje ho rádiovými vlnami a hledá tento odraz. Skutečný mezinárodní standard po dobu jedné sekundy je takový počet vibrací.

To se nikdy nemění: Jdete do prostoru, to je stejné. Blížíte se k rychlosti světla - nemění se. Zatímco kdybyste vzali křemenné hodinky nebo mechanické hodinky a začali je brát do superrychlých rychlostí, mohlo by dojít ke změnám věcí a už to nebude přesné.

Budou se tyto čipy brzy dostat do jiných technologií?

Myslím, že tuto technologii uvidíte ve svých smartphonech a ve vašich autech s autem za pět let. Pravděpodobně to bude spíš jako GPS, které se objeví v telefonu. Náhle uvidíte tuto technologii miniaturizovanou až do té míry, že se vejde do telefonu. Právě teď, čip je velikost matchbox z luxusní restaurace. Je to dost velké a nemůže to být mnohem menší, protože se tam nachází fyzikální balicí materiál. Kdyby to však ještě více zmenšily, pak by se objevila všude. Technologie není nákladná - určitě by to mohlo být. Řekl bych tedy pět nebo šest let, ale ve skutečnosti neočekávám, že to bude švýcarský. Očekávám více, jako je Samsung, nebo Apple, nebo Google, aby se jedna.

Tento rozhovor byl upraven pro stručnost a jasnost.