Die erste Atomic-Armbanduhr der Welt wird Ihre Reise zum Mars aufrechterhalten

John Patterson ist ein bescheidener Uhrmacher in Kauai, Hawaii, der seit fünf Jahren in aller Stille die erste Atomuhr der Welt ist. Lassen Sie tausend Jahre vergehen und diese Uhr verliert nur eine Sekunde an Genauigkeit. Nimm es tief unter Wasser, in einem Inferno: Die Zeit tickt weiter. Wenn Sie abenteuerlustig sind, bringen Sie es in den Weltraum. Bring es zum Mars.

Es wird Zeit halten.

Patterson hat einen Ph.D. in der Neurowissenschaft, aber er hat sein eigenes Gehirn in die Uhrmacherei gesteckt. Er führt seine Firma Bathys Hawaii von seinem Haus auf der Garteninsel aus. "Die Philosophie war immer, dass es nicht nur ein reicher Mann war, der eine schöne Uhr verdient hatte", erzählt er Inverse. Bathys kommt aus dem griechischen Wort “ Bathus ", Was" tief "bedeutet - wörtlich und im übertragenen Sinne. Während seine Uhren in großer Tiefe treu bleiben, bleibt auch seine Atomuhr in großen Höhen. Marshöhen.

Ein 200-Millionen-Dollar-Stipendium der Defence Advanced Research Projects Agency führte zur Schaffung eines kleinen Atomchips im Bathys Hawaii Cesium 133, erklärt Patterson. Als er jedoch herausfand, dass die Chips erhältlich waren, schnappte er sich eine "alte OMEGA-Uhr", die er in einer Schublade verstaut hatte, verkaufte sie bei eBay, kaufte einen Atomchip und - mit Hilfe eines oder zweier anderer Hawaiianer - Zur Arbeit gehen.

Er wusste, dass er die Atomchips für ihre wahrste Berufung verwenden musste: Uhren. Die internationale Sekunde ist immerhin durch Cäsium definiert: Ihre Strahlungsfrequenz beträgt 9.192.631.770 Hz, die Wissenschaftler in den 1950er Jahren mit der Ephemeridenzeit in Verbindung brachten. Während andere Uhren relativistischen Effekten bei hohen Geschwindigkeiten zum Opfer fallen, ist dies bei Cäsium-Uhren nicht der Fall. Die Frequenz bleibt gleich und somit bleibt die Uhrzeit genau. Also machte sich Patterson, Chip-in-Hand, an die Arbeit. Bald hatte er eine funktionierende, unglaublich genaue Armbanduhr; 2014 brachte er den Prototyp zu Kickstarter. In wenigen Tagen hatte er sein Spendenziel fast verdoppelt.

Inverse sprach mit Patterson über die Technologie hinter der Uhr Cesium 133, über die Weltraumfahrt und darüber, wie bald wir alle Atomuhren besitzen werden. (Hinweis: Bald. Aber vielleicht sind es keine Uhren an sich.)

Wie funktioniert das Caesium 133?

Es ist ziemlich komplex. Wir mussten die Uhr nicht nur mit diesem Chip, einem wiederaufladbaren Akku usw. entwerfen, sondern wir mussten auch eine externe Basisstation entwickeln, die zum Aufladen der Uhr dient. Hauptsächlich funktioniert es jedoch, die Uhr so ​​genau wie möglich einzustellen. Diese Uhren können innerhalb von weniger als 100 Nanosekunden - das ist eine Hundertmilliardstel Sekunde - auf die exakte internationale Standardzeit für die Welt eingestellt werden. Sobald sie einmal eingestellt sind, sind sie in tausend Jahren auf eine Sekunde genau. Die Uhr, die sich auf Ihrem Telefon oder Computer befindet, ist meist nur auf 200 Millisekunden genau. Das ist der Fehler, den diese Uhr in 200 Jahren entwickelt.

Das GPS ist fertig! Dadurch wird ein genauer Zeitimpuls heruntergefahren, um den Cesium 133 innerhalb von 20 Milliardstel Sekunden einzustellen.

Ein Foto von Bathys Hawaii (@bathys_hawaii) am

Wir mussten das gleiche kopieren, was das Militär macht, wenn sie eine ihrer Atomuhren einstellen wollen. Sogar GPS-Empfänger sind um einige hundert Millisekunden ausgeschaltet: Der Computer verbringt die ganze Zeit mit der Verarbeitung der Positionsdaten und nicht mit der Zeit. Wir mussten also ein eigenes GPS-Gerät herstellen, das sich im Wesentlichen darauf konzentriert, die Zeitdaten ohne Verzögerung zu durchlaufen. Es saugt es einfach aus dem Weltraum und schickt es ohne Verzögerung direkt zur Uhr.

Soweit ich weiß, sind Cäsium-Uhren nicht nur wegen ihrer Genauigkeit attraktiv, sondern auch, weil sie unter vielen Bedingungen ihre Genauigkeit behalten.

Jep. Bei der Zeitmessung ist die Temperatur eine große Sache. Sie können also auf bis zu 150 Grad Celsius oder auf minus 20 Grad Celsius herunterfahren, und es bleibt präzise.

Wenn Sie diese Uhr genau eingestellt haben, schließen Sie sie an den Beschleunigungssensor, den Kompass und die internen Trägheitseinheiten Ihres Telefons an, die im Wesentlichen Neigung, Beschleunigung und all das aufzeichnen, und kann als eigenes GPS ohne GPS fungieren mit GPS in Kontakt sein. Sie kann Ihren Standort über Monate hinweg bis zu 10 Zentimeter genau ermitteln.

Es gibt so viele mögliche Technologien, die sich daraus entwickeln könnten. Wenn Sie ein Feuerwehrmann in New York City sind und in einen brennenden Wolkenkratzer stürzen müssen, verlieren Sie Ihr GPS, sodass Sie Ihre Position nicht anderen Feuerwehrleuten mitteilen können. Wenn jedoch alle diese Uhr synchronisiert hätten, könnte sie nur über die normalen Funkfrequenzen sprechen und ihnen sagen, wo sie sich gerade befinden. Es ist egal, ob sie sich in einer Höhle, in einem brennenden Gebäude oder unter Wasser befinden: Wo immer Sie kein GPS erhalten, können Sie Ihren Standort ermitteln.

Oder Weltraum.

Oder Weltraum. Oder in einem Tunnel mit Ihrem selbstfahrenden Auto.

Könnte diese Uhr etwas sein, das Menschen, die zum Mars gehen wollten, verwenden könnten, um die Zeit zu halten?

Zunächst eine kleine Randbemerkung: Ich befand mich tatsächlich auf der engeren Auswahlliste für einen der Mars-Lebensräume. Die hier in Hawaii. Ich bin zur endgültigen Auswahl gekommen. Sie haben sechs gewählt, und ich war in den letzten 30 Jahren. Ich glaube, ich war zu alt, und ich bin froh, dass ich es nicht geschafft habe. Sie kamen gerade neulich heraus und jetzt bin ich so: "Ich bin so froh, dass ich nicht ich bin." Der Typ küsst seine Frau zum ersten Mal in einem Jahr - ich bin wie "Hell no."

Eine normale Uhr würde bis zu einem gewissen Grad im Weltraum funktionieren. Eine Quarzuhr hält die Zeit im Raum - es funktioniert nicht so, als würde sie überhaupt nicht funktionieren. Aber es gibt relativistische Effekte, wenn man sich schnell bewegt.

Wenn Ihr GPS-Gerät die Fahrzeit zum Satelliten nicht berücksichtigt, kann er Sie nicht mehr in einem Umkreis von sechs bis sieben Fuß finden, wie es Ihr Telefon jetzt tut, sondern nur noch 35 Kilometer. So wichtig ist es, dass der relativistische Effekt berücksichtigt wird. Die Lichtgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit des Satelliten sind so hoch, dass sich die Zeit geringfügig ändert.

Es ist wirklich einfach zu erklären, wie das Cäsium funktioniert. Im Grunde ist der Gedanke, dass das Cäsium fast wie ein Spiegel wirkt. Wenn Sie es mit der genauen Frequenz dieser neun Milliarden Zyklen pro Sekunde zum Vibrieren bringen, wirkt es wie ein Spiegel. Welche Energie auch immer Sie darauf schießen, schießt auf Sie zurück. Bei jeder anderen Frequenz ist es wie ein schwarzes Samtstück: Es absorbiert die Energie. Wenn es genau zu dieser Frequenz kommt und Sie mit Ihrer Mikrowelle bombardieren, springen plötzlich alle Ihre Mikrowellen zurück. Und das heißt, du hast es geschafft.

Das ist ein physikalisches Merkmal von Cäsium. Es hat nichts mit radioaktivem etwas zu tun. Caesium ist fast wie Quecksilber - es ist eine Flüssigkeit. Wenn Sie es aufheizen, verwandelt es sich in ein Gas. In der kleinen Zelle gibt es eine kleine Heizung, die das Gas aufheizt, mit Funkwellen bombardiert und nach dieser Reflexion sucht. Der tatsächliche internationale Standard für eine Sekunde ist diese Anzahl von Vibrationen.

Das ändert sich nie: Sie gehen in den Weltraum, das ist das Gleiche. Sie nähern sich der Lichtgeschwindigkeit - ändert sich nicht. Wenn Sie dagegen eine Quarzuhr oder eine mechanische Uhr nehmen und anfangen, sie auf sehr hohe Geschwindigkeiten zu bringen, würden sich die Dinge ändern und es wäre nicht mehr genau.

Werden diese Chips bald in andere Technologien Einzug halten?

Ich glaube, Sie werden diese Technologie in etwa fünf Jahren in Ihren Smartphones und in Ihren selbstfahrenden Autos sehen. Es ist wahrscheinlich mehr wie das GPS, das in Ihrem Telefon angezeigt wird. Plötzlich sehen Sie diese Technologie so miniaturisiert, dass sie in ein Telefon passt. Im Moment hat der Chip die Größe einer Streichholzschachtel aus einem schicken Restaurant. Es ist ziemlich groß und kann nicht viel kleiner gemacht werden, da die Packs für die Physik dort passen müssen. Aber wenn sie es noch eine Ebene verkleinern könnten, würde es überall erscheinen. Die Technologie ist nicht teuer in der Herstellung - sie könnte definitiv gemacht werden. Ich würde also fünf oder sechs Jahre sagen, aber ich erwarte nicht wirklich, dass der Schweizer derjenige ist. Ich erwarte mehr von Samsung, Apple oder Google, um das eine zu sein.

Dieses Interview wurde aus Gründen der Kürze und Klarheit bearbeitet.