Världens första Atomic Armbandsur kommer att hålla tid på din resa till Mars

John Patterson är en ödmjuk urmakare i Kauai, Hawaii, som under de senaste fem åren har tyst gjort världens första atomklocka på konsumentnivå. Låt tusen år passera och den här klockan kommer bara att förlora en sekund i noggrannhet. Ta det djupt under vattnet, inuti ett inferno: Tiden håller på att ticka. Eller, om du känner dig äventyrlig, ta den till rymden. Ta det till Mars.

Det kommer att hålla tid.

Patterson har en doktorsexamen i neurovetenskap, men han har hällt sin egen hjärnkraft i urverk. Han driver sitt företag, Bathys Hawaii, från sitt hus på Garden Isle. "Filosofin var alltid att det inte var bara en rik kille som förtjänade att ha en bra klocka," berättar han Omvänd. Bathys kommer från det grekiska ordet " båthus, "Som betyder" djup "- bokstavligen och figurativt. Medan hans klockor kommer att vara sanna på stora djup, kommer hans atomvakt också att vara sann vid stora höjder också. Marshöjder.

Ett bidrag på 200 miljoner dollar för försvarsforskningsprojekt för forskningsprojekt ledde till skapandet av det lilla atomspånet i Bathys Hawaii Cesium 133, förklarar Patterson. Men när han upptäckte att chipsen var tillgängliga för köp tog han en "gammal OMEGA klocka" som han hade stuvat i en låda, sålde den på eBay, köpte en atomchip och - med hjälp av en eller två andra hawaiier - måste jobba.

Han visste att han var tvungen att använda atomflisarna för sin mest rätta kallelse: klockor. Den internationella sekunden definieras trots allt av cesium: dess strålningsfrekvens är 9 192 631 770 Hz, vilka forskare på 1950-talet kopplade till ephemeris-tiden. Medan andra klockor utsätts för relativistiska effekter vid höga hastigheter, gör cesiumklockor inte det. Frekvensen förblir densamma, och tiden förblir så exakt. Så Patterson, chip-in-hand, fick jobba. Snart hade han en fungerande otroligt exakt armbandsur. Han tog prototypen till Kickstarter 2014. På bara några dagar hade han nästan fördubblat sitt insamlingsmål.

Omvänd talade med Patterson om tekniken bakom Cesium 133-klockan, om rymdresor och om hur snart vi alla kommer att ha atomklockor. (Hint: Snart. Men de kan inte vara klockor i sig.)

Hur fungerar Cesium 133?

Det är ganska komplext. Inte bara var vi tvungna att designa klockan med det här chipet, ett uppladdningsbart batteri etc., men vi var också tvungna att designa en extern basstationstyp som fungerar för att ladda klockan. Men i huvudsak arbetar det för att ställa klockan så exakt som möjligt. Dessa klockor kan ställas in inom mindre än 100 nanosekunder - det är hundra miljarder sekundar - till exakt den internationella standardtiden för världen. När de är inställda, är de exakta till en sekund på tusen år. Klockan som finns på din telefon eller dator - de flesta är bara exakta på cirka 200 millisekunder. Det är det fel som denna klocka utvecklas om 200 år.

GPS är klar! Detta drar ner en exakt tidsimpuls för att ställa in Cesium 133 inom 20 miljarder av en sekund.

Ett foto publicerat av Bathys Hawaii (@bathys_hawaii) på

Vi var tvungna att kopiera samma sak som militären gör när de vill ställa in en av sina atomur. Även GPS-mottagare är avstängd med flera hundra millisekunder: Datorn spenderar all sin tid för att bearbeta platsdata, och inte tiden. Så vi var tvungna att skapa vår egen GPS-enhet som i grund och botten fokuserar på att bara passera tidsdata utan någon försenning alls. Det suger bara det ur rymden och skickar det rakt till klockan utan någon fördröjning alls.

Ur det jag förstår är cesiumklockor tilltalande inte bara på grund av deras noggrannhet, utan också för att de håller sin noggrannhet under många förhållanden.

Japp. Temperaturen är en stor sak i tidsåtgången. Så, du kan gå upp till ca 150 grader Celsius eller ner till ca minus 20 grader Celsius, och det stannar korrekt.

När du har ställt in klockan korrekt, om du kopplar den till accelerometern, kompassen och de inre tröghetsenheterna i telefonen - som i grunden registrerar lutning, acceleration och allt det där - kan det fungera som sin egen GPS utan måste vara i kontakt med GPS. Det kan noggrant spåra din plats ner till 10 centimeter i dagar, i månader.

Det finns så många möjliga tekniker som kan växa ut ur det. Om du är brandman i New York City och måste rusa in i en brinnande skyskrapa, kommer du att förlora din GPS, så att du inte kommer att kunna kommunicera din position med andra brandmän. Men om alla hade synkroniserat den här klockan kunde den bara prata över de vanliga radiofrekvenserna, och det kunde säga till dem var de var. Det spelar ingen roll om de är i en grotta, i en brinnande byggnad eller under vattnet: Överallt kan du inte få GPS, du kan få din plats.

Eller utrymme.

Eller utrymme. Eller i en tunnel med din egen bil.

Kan det här vara något som folk som ville gå till Mars kunde använda för att hålla tid?

Först och främst, en liten sidoanteckning: Jag var faktiskt på kortlistan för att vara i ett av Mars-livsmiljöerna. Den här härifrån på Hawaii. Jag kom igenom till det allra sista valet. De valde sex, och jag var i final 30. Jag tror att jag var för gammal, och jag är glad att jag inte fick göra det. De kom precis ut den andra dagen, och nu är jag som, "Jag är så glad att det inte är jag." Killen kysser sin fru för första gången på ett år - jag är som, "Helvete nr."

En vanlig klocka skulle i viss utsträckning arbeta i rymden. En kvarts klocka kommer att hålla tid i rymden - det är inte som att det inte kommer att fungera alls. Men det finns relativistiska effekter av att flytta snabbt.

Om din GPS inte tar hänsyn till resetiden till satelliten, istället för att kunna hitta dig inom sex eller sju fot, som din telefon gör just nu, går den ut till 35 kilometer. Det är så viktigt att den relativistiska effekten beaktas. Ljusets hastighet och satellithastigheten är så snabb att det ändras något.

Det är verkligen lätt att förklara hur cesium fungerar. I grund och botten är sättet att tänka på det att cesium är nästan som en spegel. Om du gör det vibrerar med exakt frekvensen av de nio miljarder cyklerna per sekund, fungerar det som en spegel. Oavsett vilken energi du skjuter på det skjuter tillbaka till dig. Vid någon annan frekvens är det som en svart sammet: Den absorberar energin. Rätt när det kommer till den exakta frekvensen, och du bombarderar den med din mikrovågsugn, börjar plötsligt alla dina mikrovågor studsa tillbaka. Och det betyder att du spikade det.

Det är en fysisk egenskap av cesium. Det har inget att göra med radioaktivt någonting. Cesium är som kvicksilver, nästan - det är en vätska. När du värmer upp det blir det en gas. Inuti den lilla cellen finns en liten värmare som värmer upp gasen, bombarderar den med radiovågor och letar efter den här reflektionen. Den faktiska internationella standarden i en sekund är det antal vibrationer.

Det ändras aldrig: Du går till rymden, det är detsamma. Du går nära ljusets hastighet - ändras inte. Om du tog en kvarts klocka, eller en mekanisk klocka och började ta den till superhastiga hastigheter, skulle det få saker att förändras, och det skulle inte vara korrekt längre.

Kommer dessa chips att hitta sig in i annan teknik snart?

Jag tror att du kommer se denna teknik i dina smartphones och i dina självkörande bilar om cirka fem år. Det kommer troligen att bli mer som den GPS som visas i din telefon. Allt plötsligt ser du denna teknik miniatyriserad till den punkt där den kunde passa i en telefon. Just nu är chipet storleken på en matchbox från en fancy restaurang. Det är ganska stort, och det kan inte göras mycket mindre på grund av fysikförpackningsprodukterna som måste passa in där. Men om de skulle kunna miniatyrisera det ännu en nivå, så skulle det verka överallt. Tekniken är inte dyr att göra - det kan definitivt bli gjort. Så jag skulle säga fem eller sex år, men jag förväntar mig inte riktigt att schweizaren är den. Jag förväntar mig mer, som Samsung, eller Apple eller Google att vara den.

Denna intervju redigerades för korthet och tydlighet.