Все изменилось, когда сын сапожника из Массачусетса, Аарон Деннисон, позаимствовал новый процесс производства оружия, в котором использовались стандартизированные, взаимозаменяемые детали, и применил те же методы в часовом деле. Часы Деннисона «Wm. Ellery», названные в честь Уильяма Эллери, одного из подписантов Декларации независимости, превратили предмет роскоши в обязательный гаджет. В 1850 году средние карманные часы стоили 40 долларов; к 1878 году часы Деннисона стоили всего 3,50 доллара.
Сколько у вас времени?
Благодаря Деннисону часы появились во многих карманах, но все они показывали разное время. В Соединенных Штатах каждый город и пригород синхронизировал часы с положением солнца. Если вы перемещались на запад или восток хотя бы на несколько километров, изменение положения солнца показывало на солнечных часах другое время. Вы могли стоять в одном городе в 6:00 вечера, а всего через три города правильное время было 6:05. Да, время демократизировали, но пока ещё не стандартизировали.
Портрет часовщика, примерно 1860 год. Во время Гражданской войны было продано более 160000 карманных часов Аарона Деннисона. Даже Авраам Линкольн носил часы «Wm. Ellery».
Самое странное, что никто не замечал этой разницы. Вы не могли напрямую поговорить с кем-то из соседних городов, а дорога туда занимала час или два по разбитым тропам.
Как только люди и информация стали перемещаться быстрее, разница во времени вылилась в огромную проблему. Телеграф и железные дороги выявили скрытую нечёткость нестандартизированного времени точно так же, как столетиями ранее изобретение печатного станка выявило необходимость в очках.
Поезда, движущиеся на восток или на запад, играют со временем злую шутку. При движении на запад кажется, что время идёт медленнее, потому что вы успеваете за движущимся по небу солнцем. Путешествие на восток имеет противоположный эффект. Каждый час, проведённый в поезде, требовал корректировки часов на несколько минут в зависимости от скорости движения поезда. Также необходимо учитывать, что каждая железная дорога работает по своим собственным часам. В XIX веке для того, чтобы отправиться в путешествие, требовалось произвести внушительные подсчёты.
Эту проблему британцы решили в 1840-х годах, стандартизировав страну по гринвичскому времени (Гринвич, Англия, расположен на начальном меридиане, где долгота равна нулю градусов). Железнодорожные часы были синхронизированы по телеграфу. Но Соединенные Штаты слишком расширились, чтобы работать по одним часам, особенно после открытия трансконтинентальной железной дороги в 1869 году. С восемью тысячами городов по всей стране, в каждом из которых были свои часы, и более чем сотней тысяч миль железнодорожных путей, соединяющих их, необходимость в какой-то стандартизированной системе была непреодолимой.
В начале 1880-х годов за дело взялся железнодорожный инженер по имени Уильям Ф. Аллен. Аллен был редактором справочника по расписанию движения поездов, поэтому он не понаслышке знал, насколько раздражала существовавшая система времени. На железнодорожном съезде в Сент-Луисе в 1883 году Аллен представил карту, на которой пятьдесят различных железнодорожных расписаний были перенесены в четыре часовых пояса: Восточный, Центральный, Горный и Тихоокеанский. Аллен разработал карту таким образом, чтобы разделение между часовыми поясами проходило зигзагообразно, в соответствии с точками соединения основных железнодорожных линий, а не прямо по продольным линиям.
Железнодорожное начальство не сомневалось в его плане, поэтому дало Аллену девять месяцев на воплощение его идеи в жизнь. Он начал энергичную и в конечном итоге успешную кампанию по написанию писем и выкручиванию рук, чтобы привлечь политиков и других чиновников. Так 18 ноября 1883 года в США наступил «день двух полудней». Восточное время Аллена отставало от местного времени в Нью-Йорке ровно на четыре минуты. Поэтому в тот необычный ноябрьский день церковные колокола на Манхэттене звонили в старый нью-йоркский полдень, а через четыре минуты звучал перезвон второго полудня по восточному времени (EST). Второй полдень передавался по телеграфу на всю страну, что позволило железнодорожным линиям и городским площадям вплоть до Тихого океана синхронизировать часы в соответствии со своими часовыми поясами.
В следующем году среднее время по Гринвичу стало международным, и тогда весь земной шар разделился на часовые пояса. Мировая торговля, путешествия и связь значительно улучшились, когда люди смогли синхронизировать часы. Следующая революция во времени будет связана с ещё более точной синхронизацией устройств.
Хорошие вибрации
В 1880-х годах французские учёные Пьер и Жак Кюри обнаружили нечто интересное в кристаллах, таких как кварц: если приложить достаточное давление, то можно заставить их вибрировать, особенно если воздействовать на них переменным током. Что ещё более важно, кристалл кварца колебался с постоянной частотой 32768 раз в секунду – регулярное движение, как у качающейся лампы Галилея. Так же, как и наблюдения Галилея привели к появлению маятника, открытия братьев Кюри в области так называемого пьезоэлектричества привели к появлению нового вида часов.
В 1928 году У. А. Маррисон и Дж. В. Хортон из Bell Labs создали первые кварцевые часы, используя регулярные колебания кристалла. Эти кварцевые часы теряли или набирали всего тысячную долю секунды в день. По сравнению с маятниковыми часами, они были гораздо менее уязвимы к изменениям температуры и влажности, не говоря уже о движении.
Кварцевые часы стали основными хронометрами в науке и промышленности. Начиная с 1930-х годов, стандартное время в США отсчитывалось кварцевыми часами. К 1970-м годам наручные часы на основе кварца стали доступны на массовом рынке. Сегодня практически все бытовые приборы, имеющие часы, – компьютеры, сотовые телефоны, планшеты, микроволновые печи, будильники, наручные часы, автомобильные часы, – работают на кварцевом пьезоэлектричестве.
Кроме того, кварцевое время сделало возможным то, что на первый взгляд не имеет никакого отношения ко времени: вычисления. Компьютерные микропроцессоры выполняют миллиарды вычислений в секунду, одновременно перетасовывая информацию. Все эти операции координируются главными часами, которые сейчас почти без исключения сделаны из кварца. Тот факт, что существуют компьютеры для выполнения домашней работы или просмотра видео, объясняется не только новаторами вроде Стива Джобса и Билла Гейтса; наши компьютеры также зависят от многовековых инноваций часовщиков.
Вне астрономического времени
Как только мы начали измерять дни с помощью кварцевых часов, мы обнаружили, что продолжительность дня не так и надёжна, как мы думали. Дни укорачивались или удлинялись ввиду приливов и отливов на поверхности планеты, ветра, дующего над горными хребтами, или внутреннего движения расплавленного ядра Земли. Если мы хотели точно определить время, мы не могли полагаться на вращение Земли. Нам нужен был лучший хронометр.
Открытие атома в начале двадцатого века, которое возглавили такие ученые, как Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, привело к появлению впечатляющих и смертоносных инноваций в области энергетики и оружия, включая атомные электростанции и водородные бомбы. Атомные исследования также привели к менее известному, но столь же важному открытию. Бор заметил, что электроны, вращающиеся внутри атома цезия, движутся с поразительной регулярностью. Эти электроны отстукивали ритм, который был гораздо надёжнее, чем вращение Земли, и мог быть использован для измерения равных промежутков времени.
Первые атомные часы появились в середине 1950-х годов, и они сразу же установили новый стандарт: теперь мы могли измерять наносекунды, миллиардные доли секунды. Атомные часы в тысячу раз точнее кварцевых. Они могут измерять время с отклонением всего в одну секунду каждые пять миллиардов лет!
13 октября 1967 года Международная конференция по мерам и весам объявила, что основное время планеты будет измеряться в атомных секундах. День перестал быть временем, которое требуется Земле для совершения одного оборота. День стал равен 86400 атомным секундам, отсчитываемым 270 синхронизированными атомными часами по всему миру. Эти часы используют кварцевые механизмы и обнуляются каждый год, чтобы атомные и солнечные ритмы не слишком расходились.
Нильс Хенрик Давид Бор был датским физиком. Он внёс фундаментальный вклад в изучение культуры атома и квантовой теории, за что он получил Нобелевскую премию по физике в 1922 году.
Атомное время кардинально изменило повседневную жизнь. Международные авиаперевозки, телефонные сети и финансовые рынки – все они зависят от наносекундной точности. Каждый раз, когда вы смотрите на смартфон, чтобы определить своё месторасположение, вы обращаетесь к сети из двадцати четырёх атомных часов, расположенных на спутниках на низкой околоземной орбите. Эти спутники снова и снова посылают сигналы: Время 11:48:25.084738.. Время 11:48:25.084739… Поскольку спутники находятся в предсказуемых позициях, по-настоящему «умный» телефон может вычислить точное местоположение путём триангуляции между тремя различными метками времени. Эта система глобального позиционирования (GPS) – современная высокотехнологичная версия того, что делали морские навигаторы восемнадцатого века: сравнивали время.
Долгое, очень долгое время
История измерения времени, казалось бы, сводится к ускорению и делению дня на всё меньшие и меньшие отрезки. Однако измерение времени в атомную эпоху движется в прямо противоположном направлении: измерение в эонах, а не в микросекундах.
В 1890-х годах польско-французский учёный Мария Кюри предположила, что излучение – это не какая-то химическая реакция между молекулами, а нечто, присущее атому. Это открытие было настолько важным для развития физики, что впоследствии она стала первой женщиной, получившей Нобелевскую премию. Её исследования быстро привлекли внимание мужа, Пьера Кюри, который оставил свои собственные исследования кристаллов и сосредоточился на радиации. Вместе они обнаружили, что радиоактивные элементы распадаются с постоянной скоростью. Период полураспада углерода-14, например, составляет 5730 лет. Оставьте немного углерода-14 на пять тысяч лет, и вы обнаружите, что половина его исчезла.