Zegar Długiego Czasu

Chcę zbudować zegar, który tyka raz w roku. Wskazówka stulecia przesuwa się raz na sto lat, a kukułka wylatuje w tysiąclecie. Chcę, żeby kukułka wychodziła co milenium przez następne 10 000 lat. Jeśli się pospieszę, powinienem skończyć zegar na czas, aby zobaczyć kukułkę wychodzącą po raz pierwszy.

– Danny Hillis, „The Millennium Clock”, Wired Scenarios, 1995

Podstawowe zasady projektowania i wymagania dla zegara są następujące:

Długowieczność: Zegar powinien być dokładny nawet po 10 000 lat, i nie może zawierać cennych części (takich jak klejnoty, drogie metale lub specjalne stopy), które mogłyby zostać splądrowane.
Możliwość konserwacji: Przyszłe pokolenia powinny być w stanie utrzymać zegar w działaniu, jeśli zajdzie taka potrzeba, nie używając niczego bardziej zaawansowanego niż narzędzia i materiały z epoki brązu.
Przejrzystość: Zegar powinien być zrozumiały bez zatrzymywania go lub rozkładania na części; żadna z funkcji nie powinna być nieprzejrzysta.
Ewolucyjność: Powinna istnieć możliwość ulepszania zegara w miarę upływu czasu.
Skalowalność: Aby mieć pewność, że ostateczny, duży zegar będzie działał prawidłowo, należy zbudować i przetestować mniejsze prototypy.

Czy zegar rzeczywiście będzie podlegał stałej opiece i konserwacji przez tak długi czas, jest kwestią dyskusyjną. Hillis wybrał cel 10,000 lat, aby być w granicach wiarygodności. Istnieją artefakty technologiczne, takie jak fragmenty garnków i koszyków, z 10 000 lat w przeszłości, więc istnieje pewien precedens dla ludzkich artefaktów przetrwania tak długo, chociaż bardzo niewiele ludzkich artefaktów było stale pielęgnowanych przez więcej niż kilka stuleci.

Rozważania na temat zasilaniaEdit

Rozważano wiele opcji dla źródła zasilania zegara, ale większość z nich została odrzucona z powodu niemożności spełnienia wymagań. Na przykład, energia jądrowa i systemy solarne naruszyłyby zasady przejrzystości i długowieczności. W końcu Hillis zdecydował się wymagać regularnego nawijania przez człowieka spadającego ciężarka w celu aktualizacji tarczy zegara, ponieważ projekt zegara już zakłada regularną konserwację przez człowieka.

Jednakże zegar jest zaprojektowany tak, aby utrzymywać czas nawet wtedy, gdy nie jest nawijany: „Jeśli nie ma uwagi przez długie okresy czasu, zegar wykorzystuje energię przechwyconą przez zmiany temperatury między dniem a nocą na szczycie góry powyżej, aby zasilić swój aparat do pomiaru czasu.”

Rozważania dotyczące czasuEdit

Mechanizm pomiaru czasu dla tak długiego zegara musi być niezawodny i solidny, jak również dokładny. Rozważane, ale odrzucone opcje jako źródła pomiaru czasu dla zegara obejmowały:

Samodzielne zegaryEdit

Większość z tych metod jest niedokładna (zegar będzie powoli tracił prawidłowy czas), ale niezawodna (to znaczy, zegar nie przestanie nagle działać). Inne metody są dokładne, ale nieprzejrzyste (co oznacza, że zegar jest trudny do odczytania lub zrozumienia).

wahadło grawitacyjne (niedokładne w dłuższym okresie czasu i wymaga wielu uderzeń, co powoduje zużycie)
wahadło skrętne (mniej uderzeń, ale mniej dokładny)
koło balansowe (bardziej niedokładne niż wahadło)
przepływ wody (niedokładny i mokry)
przepływ materiału stałego (niedokładny)
zużycie i korozja (bardzo niedokładne)
kulki toczne (bardzo niedokładne)
kulki toczne (bardzo niedokładne) kulki (bardzo niedokładne)
dyfuzja (niedokładna)
widełki stroikowe (niedokładne)
cykl komory ciśnieniowej (niedokładny)
regulator inercyjny (niedokładny)
oscylator atomowy (nieprzejrzysty, trudny do utrzymania)
oscylator piezoelektryczny (nieprzezroczysty, trudny do utrzymania)
rozpad atomowy (nieprzezroczysty, trudny do precyzyjnego pomiaru)

Zdarzenia zewnętrzne, które zegar mógłby śledzić lub być regulowany przezEdit

Wiele z tych metod jest dokładnych (niektóre zewnętrzne cykle są bardzo jednolite na ogromnych odcinkach czasu), ale zawodnych (zegar mógłby całkowicie przestać działać, gdyby nie udało mu się prawidłowo śledzić zdarzenia zewnętrznego). Inne mają odrębne trudności.

dzienny cykl temperatury (niewiarygodny)
sezonowy cykl temperatury (niedokładny)
siły pływowe (trudne do zmierzenia)
obracająca się rama inercyjna Ziemi (trudne do dokładnego zmierzenia)
ustawienie gwiazd (niepewne z powodu pogody)
ustawienie Słońca (niepewne z powodu pogody)
ruchy tektoniczne (trudne do przewidzieć i zmierzyć)
dynamika orbitalna (trudna do przeskalowania)
wandalizm (trudny do przewidzenia)
nieporządki społeczne (trudne do przewidzenia)
wojna domowa (trudna do do przewidzenia)
wojna nuklearna (trudna do przewidzenia)
zdarzenie uderzeniowe (trudne do przewidzenia)

Hillis doszedł do wniosku, że żadne pojedyncze źródło pomiaru czasu nie może spełnić wymagań. W ramach kompromisu zegar będzie wykorzystywał dokładny, ale zawodny czasomierz do regulacji niedokładnego, ale niezawodnego czasomierza, tworząc pętlę z blokadą fazową.

W obecnej konstrukcji, powolny oscylator mechaniczny, oparty na wahadle skrętnym, odmierza czas niedokładnie, ale niezawodnie. W południe światło słoneczne, dokładny, ale (ze względu na pogodę) zawodny zegar, jest skupiane na kawałku metalu przez soczewkę. Metal zapina się, a siła zapięcia powoduje przestawienie zegara na południe. Kombinacja ta może, w zasadzie, zapewnić zarówno niezawodność jak i długoterminową dokładność.

Wyświetlanie czasu i datyEdit

Wiele z typowych jednostek wyświetlanych na zegarach, takich jak godziny i daty kalendarzowe, może mieć niewielkie znaczenie po 10 000 lat. Jednak każda ludzka kultura liczy dni, miesiące (w jakiejś formie) i lata, z których wszystkie są oparte na cyklach księżycowych i słonecznych. Istnieją również dłuższe cykle naturalne, takie jak 25 765-letnia precesja osi Ziemi. Z drugiej strony, zegar jest produktem naszych czasów i wydaje się właściwe, aby złożyć hołd naszym obecnym arbitralnym systemom pomiaru czasu. Ostatecznie najlepiej było pokazać zarówno cykle naturalne, jak i niektóre z obecnych cykli kulturowych.

W centrum zegara znajdzie się pole gwiazd, wskazujące zarówno dzień gwiazdowy, jak i precesję zodiaku. Wokół niego znajdzie się wyświetlacz pokazujący pozycje Słońca i Księżyca na niebie, jak również fazę i kąt nachylenia Księżyca. Na zewnątrz znajdzie się tarcza efemeryczna, pokazująca rok według naszego obecnego systemu kalendarza gregoriańskiego. Będzie to pięciocyfrowy wyświetlacz, wskazujący bieżący rok w formacie „02000” zamiast bardziej typowego „2000” (aby uniknąć problemu Y10K). Hillis i Brand planują, jeśli będą w stanie, dodać mechanizm, dzięki któremu źródło energii będzie generowało tylko tyle energii, by móc śledzić czas; jeśli odwiedzający będą chcieli zobaczyć wyświetlany czas, będą musieli sami ręcznie dostarczyć trochę energii.

Obliczenia czasuEdit

Opcje rozważane dla części zegara, która konwertuje źródło czasu (na przykład wahadło) na jednostki wyświetlacza (na przykład wskazówki zegara) obejmują elektronikę, hydraulikę, fluidystykę i mechanikę.

Problem z użyciem konwencjonalnego mechanizmu przekładniowego (który był standardowym mechanizmem przez ostatnie tysiąclecie) jest taki, że przekładnie z konieczności wymagają stosunku pomiędzy źródłem czasu a wyświetlaczem. Wymagana dokładność tego stosunku wzrasta wraz z ilością czasu, który ma być mierzony. (Na przykład, dla krótkiego okresu czasu może wystarczyć liczenie 29,5 dnia na miesiąc księżycowy, ale przez 10 000 lat liczba 29,5305882 jest znacznie dokładniejszym wyborem.)

Osiągnięcie tak precyzyjnych proporcji za pomocą kół zębatych jest możliwe, ale kłopotliwe; podobnie, koła zębate pogarszają z czasem swoją dokładność i wydajność z powodu szkodliwych efektów tarcia. Zamiast tego, zegar wykorzystuje binarną logikę cyfrową, zaimplementowaną mechanicznie w sekwencji ułożonych na sobie dodawarek binarnych (lub, jak nazywa je Hillis, ich wynalazca, szeregowych dodawarek bitowych). W efekcie logika konwersji jest prostym komputerem cyfrowym (a dokładniej cyfrowym analizatorem różnicowym), zaimplementowanym za pomocą mechanicznych kół i dźwigni zamiast typowej elektroniki. Komputer ma 32 bity dokładności, a każdy bit jest reprezentowany przez mechaniczną dźwignię lub sworzeń, który może być w jednej z dwóch pozycji. Ta binarna logika może śledzić tylko czas, który upłynął, jak stoper; aby przekonwertować z czasu, który upłynął, na lokalny czas słoneczny (czyli czas dnia), krzywka odejmuje od (lub dodaje do) suwaka krzywki, którą poruszają dodawarki.

Kolejną zaletą komputera cyfrowego w porównaniu z przekładnią jest to, że jest on bardziej ewolucyjny. Na przykład, stosunek dnia do roku zależy od rotacji Ziemi, która zwalnia w zauważalnym, ale niezbyt przewidywalnym tempie. To może wystarczyć, aby na przykład przesunąć fazę Księżyca o kilka dni w ciągu 10 000 lat. Cyfrowy schemat pozwala na dostosowanie tego współczynnika konwersji bez zatrzymywania zegara, jeśli długość dnia zmieni się w nieoczekiwany sposób.

LokalizacjaEdit

Fundacja Long Now zakupiła szczyt góry Washington w pobliżu Ely, Nevada, która jest otoczona Parkiem Narodowym Great Basin, w celu stałego przechowywania pełnowymiarowego zegara, gdy zostanie on już zbudowany. Zostanie on umieszczony w serii pomieszczeń (najwolniejsze mechanizmy będą widoczne jako pierwsze) w białych wapiennych klifach, około 10 000 stóp (3 000 m) w górę Snake Range. Suchość, oddalenie i brak wartości ekonomicznej tego miejsca powinny uchronić zegar przed korozją, wandalizmem i zabudową. Hillis wybrał ten obszar Nevady częściowo dlatego, że jest on domem dla wielu karłowatych sosen bristlecone, które, jak zauważa Fundacja, mają prawie 5000 lat. Zegar będzie prawie całkowicie podziemny i po ukończeniu będzie dostępny tylko dla ruchu pieszego od strony wschodniej.

Przed zbudowaniem publicznego zegara w Nevadzie, Fundacja buduje pełnowymiarowy zegar o podobnej konstrukcji w górach w pobliżu Van Horn w Teksasie. Próbne wiercenia dla podziemnej konstrukcji w tym miejscu rozpoczęto w 2009 roku. Obiekt znajduje się na terenie należącym do założyciela Amazon.com Jeffa Bezosa, który również finansuje jego budowę. Doświadczenia zdobyte podczas budowy tego pierwszego pełnowymiarowego zegara 10 000-letniego zostaną wykorzystane w ostatecznym projekcie zegara w Nevadzie.