Этот процесс двойного взаимодействия (за него Норман Рамзей[91]получил Нобелевскую премию), в сущности, является тем же, что вы используете, когда подводите часы. Во-первых, вы синхронизируете ваши часы с сигналами точного времени, например, на официальной странице Национального института стандартов и технологий (NIST). Затем вы немного ждете и еще раз проверяете часы по сигналу точного времени. Если они спешат или отстают, вы подстраиваете их до точного времени и повторяете процесс.
В цезиевых атомных часах первое взаимодействие с микроволновым излучением играет роль синхронизации, это попытка перевести атомы в состояние, при котором колебания происходят точно на частоте, определяемой разницей в энергиях между уровнями. Микроволновое излучение начинается точно в фазе, и атомы колеблются некоторое время до того, как начнется взаимодействие. Если частоты совпадают, колебания остаются в фазе, и все атомы переходят во второе состояние. Если же частота немного выше или ниже, некоторые из атомов останутся в начальном состоянии, и физики знают, что надо подкорректировать частоту, чтобы компенсировать различия. Каждый цикл часов занимает около одной секунды, и после часа или около того работы часов конечный результат – это микроволновой источник, который совпадает с частотой перехода атома цезия до нескольких долей 1016. Такие «часы» могут идти без перерыва миллиарды лет до того, как они начнут отклоняться по времени от часов, основанных на истинной частоте цезия на одну секунду.
Официальное мировое время по международным договорам определяется из набора более чем семидесяти атомных часов, работающих в национальных лабораториях разных стран. Название этого официального времени – UTC (universal time coordinated – всемирное координированное время. – Прим. пер.). Это прекрасный пример международной договоренности: в Англии его называют CUT (скоординированное всеобщее время), во Франции – TUC (время универсальное координированное). Окончательно аббревиатура была принята таковой, чтобы не составлять осмысленное время ни на одном языке. Официальная сеть времени используется для координации обмена информацией через Интернет и другие глобальные сети передачи информации и точно синхронизируется с UTC, так что, если вы достанете свой смартфон, чтобы проверить время, он в конце концов возьмет это время из цезиевых часов.
Конечно, мой дешевый прикроватный будильник не связан с Интернетом. Он получает свой сигнал точного времени от переменного тока стенной розетки, который колеблется от высокого напряжения к низкому и обратно шестьдесят раз в секунду. Но даже в этом можно проследить связь вплоть до атомного времени, поскольку современные силовые электросети связывают множество электростанций на больших пространствах, частота напряжения в 60 Гц, которую они обеспечивают, очень жестко регулируется и компании по выработке электрической энергии сильно полагаются на атомное время и на распределение времени по сетям для того, чтобы держать все электростанции в синхронном режиме. Без четкого контроля частоты гидроэлектрическая станция в Вермонте может выпасть из синхронизации с такой же станцией в Буффало. В конце концов, компания, обеспечивающая электричеством мой дом в Нискаюне, может обнаружить, что Буффало старается повысить напряжение в то же мгновение, когда Вермонт стремится понизить его. Эти находящиеся не в фазе колебания напряжения будут частично уничтожать друг друга, снижая общую доступную мощность и ведя к потерям в электросетях, которые могут стоить миллионы долларов.
Наконец, все современные системы наблюдения за временем, от национальных лабораторий, который мониторят замороженные наборы атомов цезия, до сетевых компьютеров, что ставят отметки времени на наши емейлы и даже, на первый взгляд, на такой примитивный прибор, как будильник, который начинает своим писком мой день – фундаментально квантовые. Подобно строителям Ньюгрейнджа, мы отмечаем течение времени с помощью света, но наши часы работают на гораздо меньшей и более странной шкале: подсчетом колебаний световых волн, производимых электронами, они прыгают между атомными квантовыми состояниями, как это впервые описал в 1913 году Нильс Бор.
Глава 5Интернет: Решение проблемы
Мои социальные медиа полны обычных мелочей – утренние новости из Европы и Африки, вечерние истории из Азии и Австралии, цифровые фотографии детишек и котов от друзей со всего мира.
Никакой набор технологий не определяет текущий момент истории так определенно, как Интернет. Способность практически мгновенно обмениваться информацией с любым виртуальным собеседником на планете радикально изменила не только сами средства коммуникаций, но и любое число повседневных действий, на которые мы полагаемся. Мы покупаем музыку и кинофильмы, заказываем практически все с доставкой прямо до порога и делимся текстовыми сообщениями и картинками с друзьями и семьей, когда они далеко от нас. За невероятно короткий промежуток времени Интернет превратился из чего-то, что использовала только горстка исследователей, во всеобъемлющую сеть, влияющую на каждый аспект жизни. Мы еще до сих пор пытаемся понять, будут ли принесенные изменения в конечном счете положительными, но Интернет уже бесспорно изменил общество и будет еще какое-то время его трансформировать.
Телекоммуникации на больших расстояниях сами по себе не считаются новой технологией, мы посылали электронные послания между континентами со времен изобретения телеграфа. Интернет в том виде, как мы его знаем, однако, был бы невозможен без развития высокочастотных оптоволоконных сетей, способных передавать невероятно огромные количества данных. В наши дни большая часть интернет-трафика передается на большие расстояния за счет импульсов света, путешествующих по оптоволокну, и лазеры, которые создают эти импульсы, были бы невозможны без понимания квантовой физики.
Мировая паутина до Интернета
Эра глобальных телекоммуникаций значительно старше, чем полагают большинство людей, и она простирается до 1858 года, когда был создан первый трансатлантический телеграфный кабель между Ирландией и Ньюфаундлендом. Первое соединение потребовало героических усилий и длилось всего примерно месяц до того, как прервалось. Однако на короткий момент Европа и Северная Америка могли обмениваться посланиями, не ожидая неделями, пока корабль физически пересечет океан.
Короткий успех и ранний провал первого кабеля ускорил новые усилия, и в 1866 году гораздо более прочный и лучше сконструированный, с инженерной точки зрения, кабель был проложен по дну Северной Атлантики. Телеграфный контакт между континентами с тех пор поддерживался постоянно. В последние полтора столетия еще много кабелей были протянуты, объединяя весь земной шар.
Критической метрикой для любых коммуникационных сетей является скорость, с которой они могут передавать информацию, это часто называют «полосой пропускания[92]». Она измеряется в терминах битов в секунду[93]. Полоса пропускания самого первого трансатлантического кабеля в 1858 году была весьма плохой: передача первого официального послания от британской королевы Виктории президенту США Дж. Бьюкенену заняла семнадцать часов и сорок минут, намного меньше одной десятой бита в секунду. Улучшения в технологии изготовления кабелей и телеграфа быстро повысили скорость передачи, и в 1866 году кабель уже передавал послания примерно в восемьдесят раз быстрее, но полоса пропускания трансатлантической связи оставалась низкой вплоть до начала XX века.
Телеграф и позднее телефонные кабели переносили электрические импульсы через огромные расстояния с помощью медных кабелей и сталкивались с серьезными проблемами затухания сигнала.
Даже такой прекрасный проводник, как медь, имеет некоторое электрическое сопротивление, что на больших расстояниях ведет к постепенному понижению напряжения полученного сигнала относительно напряжения посланного сигнала. Это может решаться с помощью увеличения напряжения при посылке сигнала, но только до определенных пределов: полный провал работы кабеля 1858 года был частично обусловлен неразумным использованием источников высокого напряжения на Северо-Американской стороне, что в конце концов вызвало коррозию изоляции подводного кабеля.
Хотя затухание сигнала – проблема и для кабелей, проходящих по суше, особенно остро она проявляется для тех, что проложены по дну океанов. На земле затухание можно победить, добавив «повторители» через регулярные расстояния для того, чтобы получить сигнал с низким напряжением и переслать его дальше уже с более высоким напряжением. Однако размещение повторителей (усилителей или ретрансляторов[94]) на глубине океана было полностью невозможным в 1860-х годах, и прошло почти столетие до тех пор, пока первый кабель с автоматическим ретранслятором был протянут через Атлантику. Хотя добавление ретрансляторов решало проблему затухания, это удорожало и усложняло кабели как на земле, так и под водой. Повысить пропускную способность медных линий передач оставалось главной проблемой для телекоммуникационных инженеров в течение многих десятилетий.
Развитие лазеров позволило невероятно увеличить полосу пропускания, перейдя к принципиально другому способу передачи сигнала. Вместо того, чтобы кодировать «0» и «1» в качестве битов сигнала, как разных напряжений, посылаемых через медный кабель, современные сети представляют их виде импульсов света по принципу «включено-выключено» через тонкие волокна из стекла.
Оптическое волокно представляет собой тонкий цилиндр, сделанный из двух слегка отличающихся типов стекла: тонкая «сердцевина» из одного типа окружена «покрытием»[95]