из стекла другого типа. Свет путешествует по сердцевине и отражается от границ между двумя сплавами, таким образом он постоянно движется в пределах сердцевины, даже если оптоволокно где-нибудь огибает углы. Это позволяет направлять световые импульсы по нужным маршрутам без необходимости выдерживать прямую линию от одного конца до другого.
Структура оптоволокна – нить со стеклянной сердцевиной, окруженной другим типом стекла наподобие коры.
Световые лучи, входящие с одного конца волокна, отражаются от границ между стеклами и держатся в рамках сердцевины[96].
Оптическое волокно предоставляет огромные преимущества по сравнению с медными проводами в терминах затухания сигнала. Световые импульсы, идущие по оптоволокну, тоже затухают, поскольку часть света все-таки выходит наружу или поглощается стеклом, но на инфракрасных длинах волн, используемых в современных оптоволоконных системах – две основные полосы частот используют свет в районе 1300 или 1500 нанометров – дистанция, на которую можно послать сигнал без ретрансляции примерно в десять раз больше, чем расстояние для медных линий передач. Оптические волокна, также могут быть упакованы вместе гораздо более плотно, чем медные провода, поскольку свет, бегущий по сердцевине одного волокна, никаким образом не может попасть в лежащее рядом волокно. Это снимает проблему взаимного влияния между соседними проводниками, когда сигнал высокого напряжения в одном медном проводе может навести меньший по силе сигнал в другом проводе, если они лежат слишком близко друг от друга.
Переход от пересылки сигналов в виде электрических импульсов через медные провода к световым импульсам через оптоволокно привел к взрывному росту полосы пропускания, доступной для глобальных телекоммуникационных сетей. Я достаточно стар, чтобы помнить время, когда было сложно сделать голосовой звонок между странами, в то время как мои дети считают в порядке вещей смотреть потоковое видео с высоким разрешением практически откуда угодно. Однако, чтобы поддерживать оптоволоконные сети в рабочем состоянии, потребовался гигантский прыжок в технологиях генерирования и управления светом. В частности, оптика с широкой полосой пропускания требует источников, создающих световой сигнал на одной частоте в пучке, который можно направить через сердцевину волокна тоньше человеческого волоса. Ни один классический источник света с этим не справится: горячие предметы производят свет в слишком широком диапазоне частот, чтобы быть полезными, в то время как спектральные линии от атомов газа, как обсуждалось в предыдущей главе, могут быть достаточно узкими, но сам свет от газа (как при использовании в флуоресцентных лампах) слишком размыт, чтобы его эффективно направить в волокно.
Тип света, который нужен для оптоволокна с широкой полосой пропускания, в телекоммуникациях может исходить только от лазера, а его изготовление требует детального понимания квантовых законов, именно они правят тем, как атомы испускают свет.
Как атомы испускают свет
Первый работающий лазер был создан в 1960 году вслед за конкурирующими теоретическими предложениями, которые привели к длительной патентной битве. Физические основы для изготовления лазера, однако, были разработаны более чем на сорок лет раньше, в статье Альберта Эйнштейна в 1917 году.
Первая заявка Эйнштейна на славу, как на поляне физики так и среди общей публики, исходила из развития его теории относительности, особенно общей теории относительности с ее объяснением гравитации как четырехмерной свертки пространства-времени материей. Это иногда заставляло людей полагать, что он всегда работал с очень абстрактной математикой, но это не так. Его начальные работы по специальной теории относительности[97] использовали относительно простую математику, и прошло целых десять лет до того, как он закончил общую теорию относительности в 1915 году. Задержка на десятилетие между теориями возникла по большей части, потому что он кропотливо изучал математику искривленных пространств, которая ему требовалась для того, чтобы закончить общую теорию относительности, с помощью своего друга Марселя Гроссмана[98]. Эйнштейн был очень одарен математически, но настоящий его гений лежал в интуиции в области физики и в ясности ее глубинного понимания. В конце концов он почти всю математику почерпнул из работ Дэвида Гилберта[99], который понимал ее гораздо лучше, чем сам Эйнштейн.
Гилберт позже сказал: «Любой мальчик на улицах Геттингена понимал больше в четырехмерной геометрии, чем Эйнштейн», но в действительности он верил, что Эйнштейн обладает таким пониманием физики, которое сделает теорию возможной. Формальное базовое образование Эйнштейна по физике лежало больше в области того, что сегодня бы назвали статистической механикой: изучение свойств больших наборов частиц. Его докторская диссертация 1905 года «Новое определение размеров молекул» удивительно обыденна по сравнению с его наиболее знаменитой работой – она описывала связь вязкости раствора сахара с размером растворенных молекул.
В тот же год он продолжил свою работу статьей по броуновскому движению, это нечто вроде хаотичного движения наблюдаемых под микроскопом частиц, плавающих в воде. Эйнштейн приписывал броуновское движение случайным столкновениям между этими частицами и окружающими их молекулами воды. Он использовал уравнение, которое вывел на базе этой идеи, и показал, как использовать измерения броуновского движения для определения свойств этих молекул. Две эти статьи совместно оказали большое влияние, помогая убедить последних противников того, что атомы и молекулы реальны, имеют физические размеры, а не условные понятия для вычислений.
Статья Эйнштейна в 1917 году выросла из этих статистических корней и рассматривала вопрос о том, что происходит с большим количеством фотонов и атомов, взаимодействующих друг с другом. Это может показаться довольно донкихотской затеей, особенно учитывая, что это еще была эпоха «старой квантовой теории», и ни фотоны и ни атомы были в сущности непонятны. Странность физики в том, однако, что проблемы, которые практически невозможно решить, когда имеешь дело с несколькими частицами, часто можно удивительно разрешить, если работать с неисчислимо большими их количествами. Физика отдельного протона, взаимодействующего с отдельным атомом, может быть плохо понятна, но представление их в очень больших количествах позволяет неплохо объяснить множество деталей индивидуальных взаимодействий. Тот же тип статистических рассуждений позволил Эйнштейну связать броуновское движение и молекулярные свойства без знания деталей каких-либо молекулярных взаимодействий и вывести логически некоторые свойства фотонов из крайне простой[100] базовой модели их взаимодействия с материей.
Статья Эйнштейна рассматривала взаимодействие между фотонами и набором атомов, похожих на модель атома Бора, которые поглощают или излучают свет, только когда электрон перемещается между двумя разрешенными дискретными орбитами. Для простоты он рассматривал только два состояния атома (низкоэнергетическое «основное» состояние и высокоэнергетическое «возбужденное» состояние), так что ему оставалось только отслеживать единственную частоту света, определяемую энергетической разницей между двумя состояниями.
В этой простой картинке взаимодействия между светом и атомом могут классифицироваться в терминах двух состояний: или атом находится в основном состоянии, или он находится в возбужденном состоянии, а также есть свет нужной частоты или нет. В пределах этой схемы существует возможность для трех процессов[101]:
1. Поглощение – если есть один атом в основном состоянии и свет нужной частоты, атом может поглотить фотон и перейти в возбужденное состояние.
2. Спонтанное излучение – если есть атом в возбужденном состоянии, он может вернуться в основное состояние и излучить фотон, независимо от того, есть свет или нет.
3. Индуцированное излучение[102] – если есть атом в возбужденном состоянии, фотон нужной частоты может заставить его испустить второй фотон и перейти в основное состояние.
Первые два процесса были уже хорошо известны в 1917 году[103], поскольку поглощение и излучение света парами атомов использовались для идентификации элементов задолго до создания квантовой модели атома Бором. Третий процесс, индуцированное излучение, был собственным изобретением Эйнштейна и оказался критически важной составляющей частью той физики, что сделала изготовление лазера (и таким образом, современного Интернета) возможным.
Может показаться странным полагать, что один фотон может вызывать излучение другого, посылая энергию внутрь атома и каким-то образом при этом уменьшая его энергию, но, как показал Эйнштейн, если вы будете рассматривать электрон в атоме как осциллятор (колеблющуюся частицу, чем, в некотором смысле, он и является, чтобы генерировать свет), классическая физика требует, чтобы такой вариант процесса имел место. Это легко представить, если использовать аналогию с ребенком на качелях: если момент, в который вы подталкиваете качели, совпадает с их наибольшим подъемом, то вы будете увеличивать энергию движения раскачивания и заставите их подняться еще выше. Это произойдет, конечно, только при условии, что вы будете подталкивать их точно с нужной частотой. Однако, если толчки будут против их движения, когда качели проходят самую нижнюю точку дуги, вы быстро сможете их остановить[104]. Таким же образом свет нужной частоты «подталкивает» электрон на орбите и может или увеличить, или уменьшить энергию электрона. В квантовом сценарии уменьшение энергии с верхнего до нижнего состояния должно привести к излучению фотона.