ьт) между ними. Фотон света, падающий на первую из этих пластин, выбивает один электрон за счет фотоэлектрического эффекта. Высокое напряжение затем ускоряет этот электрон, заставляя двигаться к следующей пластинке, ударяется и выбивает уже несколько (от 10 до 20) электронов[67]. Каждый из них ускоряется, в свою очередь, к следующей пластинке и так далее. В конце фотоумножителя единственный фотон заставляет испустить таким каскадным способом миллионы электронов, производя слабый импульс тока, что можно зарегистрировать. Фотоумножители могут быть крайне чувствительными и способны зарегистрировать отдельный фотон, и они лежат в основе многих экспериментов по исследованию квантовой природы света. Они обычно используются в каких-нибудь устаревших системах, типа «электрический глаз», и сегодня фотоумножительные трубки, в общем, можно встретить только в физических лабораториях.
В сущности та же физика используется в основе цифровых камер. Каждый пиксель в сенсоре цифровой камеры состоит из маленького кусочка полупроводникового материала, на который некоторое время падает свет. Тогда падающие на него фотоны не полностью выбивают электроны из материала, а выводят его из неподвижного состояния в такое, когда он может свободно передвигаться (подробнее я расскажу об этом в главе 8). Когда затвор камеры открыт, чтобы снять фотографию, все электроны в пределах одного пикселя начинают свободно течь и собираются[68], создавая напряжение, что дает значение яркости света, падающего на этот пиксель. В конце времени выдержки все эти напряжения от пикселей считываются, чтобы создать образ.
Фотосенсоры, основанные на кремнии, имеют огромные преимущества за счет малых размеров и возможности удобной интеграции с процессорами, обрабатывающими цифровую информацию. Сегодня процессор в камере достаточно мал, чтобы использовать в мобильном телефоне. Он содержит такое число пикселей, что успешно конкурирует с цифровыми камерами профессионального уровня. Камера в моем смартфоне имеет 16.1 миллиона пикселей (стандартное фото имеет размер в 5344 Ангстрема[69] – 3006 пикселей), в то время как моя хорошая DSLR камера имеет 24 миллиона (6000 Ангстрем × 4000 пикселей). Основное ограничение по качеству в наши дни для мобильных телефонов представляет оптическая часть системы, а не электронная: сборный пакет линз, достаточно малый, сейчас имеет более ограниченные возможности, чем большие линзы отдельной камеры. Для большинства людей, которые не слишком серьезно относятся к фотографии, эти ограничения не так заметны.
Для создания цветных датчиков решетка из красных, зеленых и синих фильтров размещается поверх массива пикселей таким образом, что каждый пиксель определяет свет одного цвета. Чтобы образовать конечное изображение, напряжения от расположенных рядом пикселей разного цвета комбинируются для определения смеси красного, зеленого и синего цветов, что наилучшим образом определяет свет в этой точке изображения.
Цифровые камеры измеряют только три цвета, поскольку это очень похоже на тот способ, которым человеческий глаз обрабатывает свет для определения цвета. Когда фотон ударяется в светочувствительную клетку сетчатки глаза, энергия фотона запускает изменения конфигурации молекулы протеина, что далее запускает цепь химических реакций, которые в итоге посылают сигнал в мозг, чтобы проинформировать: эта конкретная клетка почувствовала свет. Существует три разновидности этих клеток, каждая чувствительна к различным длинам волны фотона, и мозг использует различные отклики от каждого типа для воспроизведения цвета, который мы видим. Максимальная чувствительность находится на длинах волн, соответствующих синему, зеленому и желто-зеленому свету, хотя все три типа клеток чувствительны к широкой части спектра. Наш мозг получает цвет смешением уровней активности этих клеток: 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 4Будильник: 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.