Мозг – повелитель времени - Дин Буономано

Гаррисон и другие понимали, что для решения проблемы долготы нужны часы, которые приводятся в движение металлическими пружинками (пружинами баланса). Маятник в море использовать нельзя, поскольку движение корабля сильно влияет на его колебания. Кроме того, из-за разности температур на суше и в море изменяется длина металлического стержня, на котором закреплен груз.

Вообще говоря, колебания температуры — один из важнейших факторов, которые приходится преодолевать при создании как биологических, так и рукотворных часов. Создание часов, не зависящих от колебаний температуры, — серьезная задача как для эволюции, так и для часовых дел мастеров.

Одним из первых изобретений Гаррисона был решетчатый маятник, в котором груз удерживался системой стержней, изготовленных из разных металлов и присоединенных в противоположных направлениях. В этой конструкции вызванное повышением температуры удлинение стержня в одном направлении уравновешивалось удлинением в другом направлении, так что длина маятника оставалась прежней.

Гаррисон специализировался на изготовлении механических часов. И это позволило ему изобрести биметаллическую пластину — соединенные между собой пластины из двух разных металлов с разными коэффициентами теплового расширения. Такие термочувствительные пластины можно использовать для регуляции пружины балансира, так что она сохраняет постоянный период колебаний при изменении температуры.

Благодаря подобным техническим новшествам и невероятному мастерству, Гаррисон сумел создать первый морской хронометр, удовлетворявший всем требованиям, необходимым для установления долготы. Это был прецедент технологического решения, которое с тех пор воспроизводится вновь и вновь: лучший способ для измерения пространства заключается в использовании часов¹⁶⁶.

КВАРЦ И ЦЕЗИЙ

На протяжении сотни лет после работы Гаррисона и других мастеров происходило постепенное усовершенствование часовых механизмов. Но на границе XIX и XX вв. в часовом деле наметилась настоящая революция.

Часы стали настолько точными, что их среднесуточный уход не превышал одной секунды, однако возникла проблема синхронизации. Сложно было синхронизировать даже пару часов, расположенных вдали друг от друга: как проверить, что часы в Париже и в Берне показывают одно и то же время? Решение пришло благодаря развитию двух технологий — электричества и радио.

В начале XX в. основной метод синхронизации заключался в электрокоординации: электрические сигналы от главных часов отправлялись на периферию с минимальной задержкой.

Координация времени ни в коей мере не была эзотерической академической задачей; это был практический вопрос, от решения которого зависела работа железных дорог, телеграфа и финансового рынка. И, как в большинстве экономически выгодных предприятий, изобретатели патентовали свои изобретения. Поскольку центром часовых технологий была Швейцария, многие патенты оказались зарегистрированными в патентном бюро Берна. Здесь с 1902 по 1909 г. один исполнительный служащий патентного бюро изучил множество разных патентов, в том числе, касающихся электрокоординации часов. В 1905 г. этот человек (звали его Альберт Эйнштейн) опубликовал статью «К электродинамике движущихся тел», которая не только отвергала концепцию абсолютного времени, но и вкратце описывала способ синхронизации удаленных друг от друга часов¹⁶⁷.

О сути работы Эйнштейна мы поговорим в следующей главе. А теперь просто обратим внимание на тот факт, что в начале XX в., после столетий прогресса в области изготовления часов, маятники и механические часы начали устаревать — по крайней мере, в качестве современного измерительного оборудования. В 1920-х гг. появились первые кварцевые часы, а еще через 20 лет были созданы первые атомные часы.

Точность любых часов определяется генератором колебаний. Генератором колебаний часов с маятником, понятное дело, является маятник. Генератор колебаний кварцевых часов — не удивляйтесь — маленький кристалл кварца. Под действием напряжения кристалл кварца вибрирует с высокой частотой. Частота вибрации зависит от многих факторов, включая тип и форму кристалла, но обычно кристаллы кварца в цифровых часах вибрируют с частотой 32 768 Гц (2¹⁵ или 1 000 000 000 000 000 в двоичном исчислении). Эти колебания регистрируются цифровой схемой, которая отсчитывает каждую проходящую секунду.

Сегодня даже дешевые кварцевые часы могут превосходить по качеству механические. Точность современных часов была немыслима во времена Гюйгенса и Гаррисона. Часы Гюйгенса могли терять до 10 секунд в сутки, а атомные часы, возможно, на сегодняшний день выбились бы из ритма на 10 секунд, если бы начали работать в момент образования Земли 4,5 млрд лет назад¹⁶⁸.

Принцип работы атомных часов объяснить чуть сложнее. Такие атомы, как цезий, характеризуются резонансной частотой — частотой электромагнитного излучения, которая заставляет их «колебаться». Под «колебанием» в данном случае мы понимаем переход «вращающегося» вокруг ядра электрона на более высокий энергетический уровень. Резонансная частота для изотопа цезия ¹³³Cs составляет 9192631770 Гц. В определенном смысле именно эта частота и служит генератором колебаний атомных часов, а атомы цезия играют роль калибровочного устройства, проверяющего правильность частоты.

В 1967 г. международный консорциум¹⁶⁹ ввел определение секунды: «Длительность 9192631770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия 133»¹⁷⁰. Основная единица измерения времени потеряла связь с наблюдаемой динамикой поведения планет и попала в неподдающуюся наблюдению сферу поведения химических элементов.

Как механические часы произвели революцию в морской навигации в XVIII и XIX вв., так атомные часы революционизировали навигацию в современном мире информатики. Система GPS в смартфонах или боеголовках ракет работает путем определения расстояний как минимум между четырьмя спутниками и приемным устройством на Земле. Сигнал от спутника, находящегося на расстоянии 20 000 км, доходит до нас примерно за 66 мс. Если мы удаляемся от спутника на 10 метров, сигнал будет идти дольше на 33 наносекунды (0,000000033 с). Спутниковый приемник улавливает невероятно малые интервалы между временем передачи и временем получения сигнала. Для работы такой системы требуется не только наличие множества космических спутников, но и наличие на каждом из них атомных часов (эта замечательная общедоступная услуга оплачивается американскими налогоплательщиками и американскими военными). Определяя различие во времени прибытия сигнала от нескольких спутников, устройство с GPS вычисляет свое местоположение по широте, долготе и высоте¹⁷¹. Современные атомные часы и спутниковые системы помогли бы сэру Клаудсли Шовеллу не только найти свои суда, но и определить точку на корабле, в которой находился он сам.