Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов - Чад Орцель

красный цвет запускает работу рецепторов только длинных волн, синий цвет – коротких, а зеленый цвет – всех трех[70]. Телевизор и компьютер использует смесь этих трех цветов для запуска этих рецепторов в правильных пропорциях, чтобы копировать спектр света, приходящего от разных реальных предметов, и обманывает мозг, которому кажется, что он видит богатство различных цветов.

В то время как требуется всего один фотон, чтобы запустить процесс определения света, типичный сенсор цифровой камеры не может достичь чувствительности к единичным фотонам, потому что случайное тепловое движение, существующее в любом материале при температуре выше абсолютного нуля, может спонтанно генерировать свободные электроны внутри датчика. Чтобы быть уверенным, что записанный в конкретном пикселе сигнал показывает реальный свет, число фотоэлектронов должно превысить этот «темный поток», и тогда можно будет зарегистрировать его в датчике, что ограничивает чувствительность при низкой освещенности. Этот эффект очень сильно зависит от температуры, поэтому профессиональные научные камеры, используемые астрономами и в экспериментах по квантовой оптике, обычно имеют датчики, охлаждаемые для уменьшения «темного потока» до уровней, которые позволяют уверенно регистрировать отдельные фотоны.

Та же проблема с «темным потоком» влияет на наши глаза: фото-чувствительные химические вещества в нашей сетчатке могут зарегистрировать отдельный фотон, и в тщательно контролируемых лабораторных экспериментах волонтеры иногда могут зафиксировать световые вспышки, содержащие лишь несколько фотонов. В более типичных ситуациях, однако, требуется что-то порядка сотни фотонов, попадающих в глаз в течение нескольких миллисекунд, чтобы человек уверенно заметил слабую вспышку света. Конечно, вряд ли можно порекомендовать охлаждение сетчатки человеческого глаза для уменьшения «темного потока» и повышения чувствительности.

Однако ограничения из-за «темного потока» оказались практической проблемой, а не фундаментальной. Процесс, который делает коммерческие цифровые камеры рабочими, считается фундаментально квантовым: единственный фотон входит в датчик и выбивает единственный электрон. Наша способность понять этот процесс и построить подобные приборы может быть прослежена вплоть до случайного открытия Генрихом Герцем фотоэлектрического эффекта и радикального предположения, сделанного Альбертом Эйнштейном в 1905 году о том, что свет может быть, в конце концов, частицей.

Глава 4

Будильник: Атом игрока в футбол

Солнце встает незадолго до того, как мой будильник начинает пищать, и я выбераюсь из постели, чтобы начать свой день…

В прямом смысле, день начинается тогда, когда встает солнце, но с практической точки зрения, мой день начинается со звонка будильника. Эти два события обычно гораздо ближе друг к другу, чем бы я хотел, и для большей части зимы они расположены в неверном порядке, но если солнце и начинает астрономический день, именно будильник отмечает начало рабочего дня.

Особенный хронометр на моей тумбочке на самом деле не такой уж и особенный – дешевые цифровые часы с несколькими функциями, помимо пронзительного пиликанья будильника, достаточно противного, чтобы выдернуть меня из глубокого сна. Современный отсчет времени, который в нем заложен, имеет глубокие корни в квантовой физике атомов и волновой природе материальных объектов. Это просто последний шаг в длинной цепи технологий измерения времени, которая простирается до доисторической эпохи.

Краткая история отсчета времени

Измерение времени, скорее всего, уже существовало в те дни, когда еще не изобрели письменность. Могильный холм «прохода» в Ньюгрейндже[71], Ирландия, – искусственная гора, созданная примерно

3000 лет до новой эры[72] из 100 000 тонн земли и камня, – на самом деле сложный прибор для измерения времени. Внутри горы проход шириной 20 метров ведет к камере склепа в центре. Эта центральная комната остается темной весь год, кроме нескольких дней во время зимнего солнцестояния, когда встающее солнце бросает лучи света через небольшое отверстие над дверью вдоль всего прохода. Это дает возможность безошибочно отмечать смену года и прекрасно работает до сих пор, более 5000 лет после постройки здания.

Наука и технологии измерения времени прошли длинный путь со времен Ньюгрейнджа, но главный принцип остается тем же самым: мы отмечаем течение времени, подсчитывая, сколько раз произошло какое-то регулярное, повторяющееся событие. Для таких календарей, как Ньюгрейндж, регулярным, повторяемым движением является смена положения встающего солнца в течение года, которое (в Северном полушарии) встает к северу от географического востока в летние месяцы и на юге от географического востока зимой. Зимнее солнцестояние считается самым коротким днем в году и днем наибольшего сдвига восходящего солнца к югу – очень надежная картинка, какую должны были наблюдать строители Ньюгрейнджа много лет до того, как построили свой гигантский монумент.

Астрономические движения можно также использовать для измерения более коротких промежутков времени, например, используя солнечные часы: направление тени, отбрасываемой вертикальным предметом, показывает дневное время. Ночью, очевидно, движение звезд по небу работает примерно по тому же принципу. Оба этих метода измерения времени несколько усложняются движением Земли по орбите, но поскольку получавшиеся картины отслеживались тысячелетиями, можно вполне точно измерять время, используя только Солнце и звезды.

Конечно, использование астрономических наблюдений для отсчета времени имеет свои ограничения: это требует ясного неба, на что не всегда можно полагаться, и также сложно использовать солнечные часы или положение звезд для измерения длительности чего-либо, занимающего по продолжительности меньше нескольких минут. Для более коротких временных интервалов и когда погода плохая, измеряли время, используя предметы, в которых существовало регулярное движение какой-нибудь субстанции. Водяные часы, в которых интервал определяется опустошением сосуда, использовались в Древнем Египте и Китае, а песочные часы были изобретены в средневековой Европе, где водяные часы было сложновато использовать из-за того, что зимой они замерзали.

Для сельского хозяйства этих методов, может быть, было и достаточно, но с расцветом мировых империй в 1500-1600-е годы возникла необходимость в более точном измерении времени. Штурманы, пересекая океаны и находясь вне видимости берегов неделями, должны были знать широту и долготу, чтобы определить свое положение на карте. Широта легко может быть определена по положению Солнца в полдень, но точное измерение долготы требует знания времени не только в конце, но и в начале маршрута. Усовершенствованные астрономические таблицы обеспечивали один метод отслеживания течения времени и, таким образом, долготы, но переносные механические часы, которые измеряют время за счет движения качающегося маятника или колеблющейся пружины, делали этот процесс еще более легким. Изготовление механических часов, измерявших время во время плавания через океан, было весьма серьезным техническим достижением, но уже к середине 1800-х такие часы были в обычном использовании. Однако они тоже были точны только до определенной степени, и развитие сети железных дорог и телеграфа по континентам лишь ускорили стремление ученых более точно измерять время.

Проблема, которая встала перед