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.
Наши удивительно точные часы служат не только для того, чтобы отслеживать неуловимое течение секунд или часов, но и чтобы определять, как мы распоряжаемся временем. С появлением точных часов появилась почасовая зарплата. В конце XIX в. человек по имени Уиллард Банди понял, насколько важно работодателям знать время прибытия и ухода своих рабочих, и предложил систему регистрации входа и выхода работников по карточкам. Основанная Банди компания International Time Recording Company в 1911 г. слилась с Computing Tabulating Recording Company и позднее превратилась в корпорацию International Business Machines (IBM)172.
Когда Бенджамин Франклин написал «время — деньги», он имел в виду суточный заработок: день без работы сказывался на месячной зарплате. Сегодня фраза «время — деньги» стала еще более актуальной. Трейдеры на фондовых рынках могут использовать преимущества в несколько миллисекунд для получения колоссальной прибыли. И даже просмотр телевизионной программы — временно-финансовая операция: люди тратят свое время на то, чего при других условиях никогда бы не делали (смотрят рекламу), в обмен на «бесплатное» развлечение (оплаченное последующими покупками). При прослушивании музыки и просмотре видео на веб-сайтах можно «выкупить свое время», заплатив за то, чтобы отказаться от рекламы.
СТОЛЕТИЯ НАЗАД ЧАСЫ РЕДКО СОГЛАСОВЫВАЛИСЬ ДРУГ С ДРУГОМ. НО МЫ СОВЕРШИЛИ ПОЛНЫЙ КРУГ, И ТЕПЕРЬ ПРОБЛЕМА ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В ДРУГОМ: НАШИ ЧАСЫ СЛИШКОМ ТОЧНЫ. ИЗ ОБЩЕЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ЭЙНШТЕЙНА СЛЕДУЕТ, ЧТО ВРЕМЯ, ОПРЕДЕЛЯЕМОЕ ЛЮБЫМИ ЧАСАМИ, ПОДВЕРЖЕНО ВЛИЯНИЮ СИЛ ТЯГОТЕНИЯ. ПОЭТОМУ ОДНИ И ТЕ ЖЕ АТОМНЫЕ ЧАСЫ БУДУТ ТИКАТЬ БЫСТРЕЕ НА КОСМИЧЕСКОМ СПУТНИКЕ, ЧЕМ НА ЗЕМЛЕ (СИСТЕМА GPS ДОЛЖНА УЧИТЫВАТЬ ЭТОТ ЭФФЕКТ). ВООБЩЕ ГОВОРЯ, ПОКАЗАНИЯ ДВУХ САМЫХ СОВРЕМЕННЫХ ОПТИЧЕСКИХ АТОМНЫХ ЧАСОВ БУДУТ РАСХОДИТЬСЯ, ЕСЛИ ОДНИ ПОСТАВИТЬ НА ПОЛ, А ДРУГИЕ НА СТОЛ.
Социолог Льюис Мамфорд писал, что «не паровой двигатель, а часы стали ключевым инструментом современной эры индустриализации»173. И если часы были ключевым инструментом эры индустриализации, они уж точно остаются ключевым инструментом эры информатики. Часы определяют наше поведение в каждое мгновение жизни. Деловые совещания расписаны по минутам, сайты быстрых знакомств настроены с точностью до трех минут, а укорочение длительности желтого сигнала светофора может привести к массовому недовольству из-за учащения случаев проезда на красный свет174. Важнее всего, что главный двигатель эры информатики, компьютер, не может существовать без современных часовых механизмов. Часы не только синхронизируют поведение людей, но и обеспечивают миллиарды операций, которые компьютеры производят каждую секунду.
СЕГОДНЯ МЫ НАУЧИЛИСЬ ИЗМЕРЯТЬ ВРЕМЯ ТОЧНЕЕ, ЧЕМ ЛЮБЫЕ ДРУГИЕ ПАРАМЕТРЫ. ВРЕМЯ ОДОЛЕЛО ПРОСТРАНСТВО: ТЕПЕРЬ МЕТР ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ КАК РАССТОЯНИЕ, КОТОРОЕ СВЕТ ПРОХОДИТ ЗА 1/299792458 ЧАСТЬ СЕКУНДЫ.
В каком-то смысле человек слишком преуспел в своем стремлении научиться определять время. Столетия назад часы редко согласовывались друг с другом. Но мы совершили полный круг, и теперь проблема заключается в другом: наши часы слишком точны. Из общей теории относительности Эйнштейна следует, что время, определяемое любыми часами, подвержено влиянию сил тяготения. Поэтому одни и те же атомные часы будут тикать быстрее на космическом спутнике, чем на Земле (система GPS должна учитывать этот эффект). Вообще говоря, показания двух самых современных оптических атомных часов будут расходиться, если одни поставить на пол, а другие на стол. Какие из них будут показывать правильное время? Далее мы с вами увидим, что так ставить вопрос некорректно.
Сегодня мы научились измерять время точнее, чем любые другие параметры. Время одолело пространство: теперь метр определяется как расстояние, которое свет проходит за 1/299792458 часть секунды175. Однако поражает не фантастическая точность современных часов, а диапазон измерений. Для определения массы крупинки соли, человека или грузовика нужны весы трех разных типов. А вот атомные часы можно использовать для измерения наносекундных различий в поступлении спутниковых радиосигналов GPS и времени ежегодного оборота Земли вокруг Солнца (и чтобы добавить недостающие секунды, когда Земля вращается медленнее: вращение Земли нерегулярно из-за воздействия геологических и климатических факторов). Никакое другое устройство, задуманное и, более того, реализованное человеком, не имело такой точности и такого диапазона измерений, как современные часы. Однако если оставить в стороне фантастические технические достижения, способность определять время не подвела нас ближе к ответу