Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов - Чад Орцель

в микроволновом диапазоне и набора из нескольких миллионов атомов цезия, охлажденных до нескольких миллионных долей градуса выше абсолютного нуля, это и служит базовой частотой. Облако из таких атомов с подготовленным электроном в одном состоянии запускается вперед через полость, в котором атомы взаимодействуют со светом от источника микроволнового излучения. Затем атомы замедляют свое движение под действием гравитации и, наконец, снова падают обратно через полость. Этот второй проход через полость дает второе взаимодействие с микроволновым излучением, после него атомы измеряются, чтобы узнать, в каком они состоянии. Если частота микроволнового источника точно совпадает с частотой, связанной с переходом цезия, все атомы будут переведены во второе состояние, в то время как небольшая ошибка в частоте будет приводить к тому, что некоторые из атомов останутся в начальном состоянии. Специалисты, управляющие часами, используют часть атомов, совершивших переход, для определения, насколько подстроить частоту микроволнового излучения, чтобы она лучше соответствовала переходу электрона в атоме цезия, и процесс повторяется.

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 5

Интернет: 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