ЧАСТЬ II
ФИЗИЧЕСКАЯ И МЕНТАЛЬНАЯ ПРИРОДА ВРЕМЕНИ
7:00
ЗАСЕКАЕМ ВРЕМЯ
Время для часов — что разум для мозга.
ДАВА СОБЕЛ
Ядро нейрона и содержащиеся в нем хромосомы так же невидимы для человеческого глаза, как спутники Нептуна. Во временном измерении длительность взмаха крыла колибри столь же неподвластна нашему восприятию, как континентальный дрейф. Человек создал микроскопы и телескопы, чтобы различать объекты за пределами нашего ограниченного пространственного восприятия. Аналогичным образом, чтобы анализировать процессы, происходящие в диапазоне времени, который меньше и больше того, что воспринимает мозг, мы разработали специальные методы и инструменты — если хотите, временны́е микроскопы и телескопы.
Временны́е телескопы позволили установить, что человек и человекообразные обезьяны разошлись от общего предка примерно 7 млн лет назад, а также предсказать, что через несколько миллиардов лет наше Солнце превратится в красного гиганта и поглотит Меркурий и Венеру.
Напротив, увеличивающие временны́е микроскопы (высокоточные часы) позволяют расщеплять секунды на составляющие единицы — миллисекунды, микросекунды, наносекунды, пикосекунды, находящиеся далеко за пределами человеческого восприятия и понимания. Современные атомные часы отсчитывают время с точностью до аттосекунд — так точно, что измерение времени с помощью атомных часов — это один из немногих случаев, когда ученым предоставляется возможность использовать приставку атто (10–18). Возможность оценивать время по шкале в миллиарды лет и делить секунды на аттосекунды появилась в результате развития физики, а сама физика отчасти возникла в результате нашего желания научиться определять время.
Тем семечком, из которого выросла физика, была астрономия, а астрономия появилась по той причине, что люди хотели определить свое место в пространстве и во времени. Кроме прочего, астрономия позволяла следить за сменой сезонов, установить длительность года и даты служения небесным богам. Последующие успехи в определении времени совсем не случайно совпадали с революционными открытиями в физике. Например, важнейшая веха в истории часового дела пришлась как раз на середину одного из важнейших периодов в истории физики: голландский физик Христиан Гюйгенс создал первые в мире высокоточные часы с маятником в 1657 г. — через 15 лет после смерти Галилео Галилея и в годы юности Исаака Ньютона.
Физика и тема времени неразрывно связаны. Дело не только в том, что вопросы природы времени относятся к области физики. Именно понимание законов физики позволило ученым создать удивительно точные часы, которые используются для проверки физических законов.
В следующих главах мы поговорим о физике времени и о том, насколько совместимы идеи физики и нейробиологии в вопросах природы времени. Однако начнем мы с исследования физических принципов работы и истории часов.
НЕЙРОНЫ И ИСПЫТАНИЯ ЯДЕРНОГО ОРУЖИЯ
Как мозг использует разные механизмы для отсчета проспективного и ретроспективного времени, так и ученые разработали принципиально различающиеся способы определения времени для тех случаев, когда нужно оценить время, которое прошло после какого-то события в прошлом, или которое пройдет от настоящего момента до какого-то момента в будущем.
Для определения проспективного времени мы обычно пользуемся традиционными часами, но для оценки ретроспективного времени нам приходится опираться на показания самых разных «часов». К счастью, в природе существует множество ретроспективных часов, поскольку по действующим во вселенной законам все изменения, происходящие вокруг и внутри нас, подчиняются заранее установленным правилам. Так, круги на воде, которые мы видим сейчас, позволяют узнать, что произошло несколько секунд назад. Патологоанатом может установить время смерти по температуре тела, а по степени сходства генов двух видов организмов можно определить, когда они разошлись от общего предка.
СОВРЕМЕННЫЕ АТОМНЫЕ ЧАСЫ ОТСЧИТЫВАЮТ ВРЕМЯ С ТОЧНОСТЬЮ ДО АТТОСЕКУНД — ТАК ТОЧНО, ЧТО ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ С ПОМОЩЬЮ АТОМНЫХ ЧАСОВ — ЭТО ОДИН ИЗ НЕМНОГИХ СЛУЧАЕВ, КОГДА УЧЕНЫМ ПРЕДОСТАВЛЯЕТСЯ ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ПРИСТАВКУ АТТО (10–18). ВОЗМОЖНОСТЬ ОЦЕНИВАТЬ ВРЕМЯ ПО ШКАЛЕ В МИЛЛИАРДЫ ЛЕТ И ДЕЛИТЬ СЕКУНДЫ НА АТТОСЕКУНДЫ ПОЯВИЛАСЬ В РЕЗУЛЬТАТЕ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ, А САМА ФИЗИКА ОТЧАСТИ ВОЗНИКЛА В РЕЗУЛЬТАТЕ НАШЕГО ЖЕЛАНИЯ НАУЧИТЬСЯ ОПРЕДЕЛЯТЬ ВРЕМЯ. ТЕМ СЕМЕЧКОМ, ИЗ КОТОРОГО ВЫРОСЛА ФИЗИКА, БЫЛА АСТРОНОМИЯ, А АСТРОНОМИЯ ПОЯВИЛАСЬ ПО ТОЙ ПРИЧИНЕ, ЧТО ЛЮДИ ХОТЕЛИ ОПРЕДЕЛИТЬ СВОЕ МЕСТО В ПРОСТРАНСТВЕ И ВО ВРЕМЕНИ. КРОМЕ ПРОЧЕГО, АСТРОНОМИЯ ПОЗВОЛЯЛА СЛЕДИТЬ ЗА СМЕНОЙ СЕЗОНОВ, УСТАНОВИТЬ ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ГОДА И ДАТЫ СЛУЖЕНИЯ НЕБЕСНЫМ БОГАМ.
Одним из наиболее важных способов ретроспективного отсчета времени является радиоизотопный анализ. Как работает этот метод? Откуда атомы «знают», сколько времени прошло с того или иного момента? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте поговорим о том, как радиоизотопный анализ и распространение ядерного оружия помогли отвергнуть одну столетнюю догму нейробиологии. На протяжении XX в. нейробиологи были убеждены в том, что, в отличие от большинства других клеток тела, новые нейроны не могут возникать в организме взрослого человека. Однако начатые в 1990-х гг. эксперименты на мышах и крысах убедительно доказали, что в некоторых отделах мозга новые нейроны все же появляются; этот процесс был назван взрослым нейрогенезом. Но как понять, происходит ли такой процесс у человека, ведь нейроны человека можно изучать только после смерти. Возраст человека на момент смерти обычно известен, но дата рождения конкретного нейрона нигде не записана.
В период 1950–1960-х гг. в результате испытаний атомного оружия, главным образом Соединенными Штатами и Советским Союзом, в атмосфере почти вдвое выросло содержание радиоактивного изотопа 14C (углерод-14). Этот показатель достиг максимума в 1963 г., когда был пописан договор о частичном запрещении испытаний ядерного оружия, а затем начал снижаться. Подъем концентрации 14C в атмосфере привел к подъему его концентрации во всех живых организмах, поскольку в процессе фотосинтеза углерод попадает в клетки растений, а оттуда в клетки всех остальных живых существ. Так испытания атомной бомбы привели к заметному повышению содержания изотопа 14C в человеческой ДНК.
Атомы углерода, попадающие в ДНК в момент «рождения» клетки (в процессе деления родительской клетки), могут оставаться в этой ДНК на всем протяжении жизни клетки. Таким образом, если у взрослых людей никогда не появляются новые нейроны, в нейронах людей, рожденных до испытаний ядерного оружия, должно быть низкое содержание изотопа 14C. Но если нейроны продолжают делиться, некоторые из них будут содержать больше радиоактивного изотопа из-за повышения его содержания в атмосфере в конце 1950-х гг. Шведские ученые проанализировали образцы ткани мозга умерших людей и обнаружили, что у людей, родившихся до 1955 г., ДНК большинства нейронов содержит небольшое количество радиоактивного изотопа углерода. Это означает, что большинство нейронов сформировалось до достижения взрослого возраста. Однако (и это совпадает с результатами экспериментов на животных) в субпопуляции нейронов гиппокампа было обнаружено повышенное содержание 14C, что подтверждает наличие нейрогенеза у взрослых людей. Эта странная связь нейробиологии, испытаний ядерного оружия и использования радиоизотопного анализа в качестве ретроспективных часов позволила оспорить долго существовавшую догму о том, что у взрослых людей новые нейроны не формируются.
А теперь вернемся к нашему вопросу: откуда атомы углерода «знают», сколько времени прошло с того или иного момента? Может ли отдельный атом отслеживать ход времени? Принцип радиоизотопного датирования подтверждает, что существует множество способов определения времени, и, как и наш мозг, для определения ретроспективного и проспективного времени мы используем принципиально разные технологические решения.
Порядковые номера химических элементов определяются количеством протонов в их ядрах. У некоторых элементов есть изотопы — атомы с разным количеством нейтронов. Некоторые из этих изотопов называют радиоактивными, поскольку они неустойчивы и со временем распадаются до устойчивых атомных конфигураций. Впрочем, «неустойчивые» изотопы могут быть весьма устойчивыми. Например, изотоп 14C имеет период полураспада 5730 лет. Это означает, что из 1000 атомов 14C через 5730 лет останется 500. Понятно, что количество оставшихся атомов позволяет определить ретроспективное время и, следовательно, возраст окаменелостей, наскальных рисунков, доисторических артефактов, древних рукописей и даже нейронов. Но откуда взялось число 5730? Откуда атом «знает», что ему пора расщепляться? Конечно же, атом ничего не знает. Обратите внимание, что хотя радиоуглеродный анализ является одним из наиболее надежных способов ретроспективного определения времени, один конкретный атом 14C ничего не может сообщить о своем возрасте.
НА ПРОТЯЖЕНИИ XX В. НЕЙРОБИОЛОГИ БЫЛИ УБЕЖДЕНЫ В ТОМ, ЧТО, В ОТЛИЧИЕ ОТ БОЛЬШИНСТВА ДРУГИХ КЛЕТОК ТЕЛА, НОВЫЕ НЕЙРОНЫ НЕ МОГУТ ВОЗНИКАТЬ В ОРГАНИЗМЕ ВЗРОСЛОГО ЧЕЛОВЕКА. ОДНАКО НАЧАТЫЕ В 1990-Х ГГ. ЭКСПЕРИМЕНТЫ НА МЫШАХ И КРЫСАХ УБЕДИТЕЛЬНО ДОКАЗАЛИ, ЧТО В НЕКОТОРЫХ ОТДЕЛАХ МОЗГА НОВЫЕ НЕЙРОНЫ ВСЕ ЖЕ ПОЯВЛЯЮТСЯ; ЭТОТ ПРОЦЕСС БЫЛ НАЗВАН ВЗРОСЛЫМ НЕЙРОГЕНЕЗОМ.
В основе радиоизотопного анализа лежит один из простейших принципов определения времени — принцип вероятности. Представьте себе, что в казино удерживают в заложниках 1000 человек, причем у каждого из них имеется по десять монет. Жестокие, но статистически подкованные владельцы казино сообщают, что единственный способ выбраться на волю заключается в том, чтобы подбросить все десять монеток и получить десять «орлов». Если каждому человеку на эту процедуру в среднем нужно потратить одну минуту, по количеству оставшихся на текущий момент заложников можно установить, сколько времени прошло от начала игры. Понятно, что чем меньше осталось людей, тем больше времени прошло. Более того, поскольку можно рассчитать вероятность выпадения десяти «орлов», можно оценить, сколько времени прошло. При подбрасывании десяти монет вероятность того, что все они выпадут вверх «орлом», составляет 1:210 (1:1024). Отсюда можно рассчитать, что половина людей обретет свободу через 710 раундов, что составляет 710 мин или 11 ч и 50 мин. Таким образом, примерно через каждые 12 ч число людей в зале будет сокращаться вдвое. Если в зале 250 человек, следовательно, они находятся там уже около суток.
Радиоизотопный анализ основан на аналогичном принципе. Для простоты можно представить себе, что нейтроны из атома 14С постоянно пытаются убежать, прорвав электронное облако вокруг ядра (на самом деле, при распаде атома нейтрон расщепляется на протон, электрон и антинейтрино, а атом углерода превращается в атом азота). Здесь нет никаких часов: каждый атом самостоятельно подбрасывает монетку. Если сегодня мы создадим отдельный атом 14C, с 50 % вероятностью за 5730 лет он распадется с образованием атома азота. Если мы вернемся через 5730 лет и обнаружим, что он все еще не распался, какой будет вероятность его распада в последующие 5730 лет? Те же 50 %. Как подбрасывание монет — исключительно вероятностный процесс, так и атом не имеет никаких воспоминаний о том, сколько тысячелетий он уже играет в орлянку.
Возможность определять время по радиоактивному распаду основана на статистике поведения популяции: чем больше исходное число радиоактивных атомов, тем точнее оценка времени. Единичный атом не даст информации о протекшем времени, но популяция атомов может служить надежным часовым механизмом. Обратите внимание, что здесь наблюдается определенное сходство с популяционными часами мозга, действие которых основано на анализе субпопуляций нейронов, активных в конкретный момент времени.
КАЛЕНДАРЬ
Наших предков больше интересовало определение не ретроспективного, а проспективного времени. И первые попытки отслеживания времени были связаны с созданием календаря. Предсказание фаз Луны, наступления зимы и миграции потенциальной добычи играло жизненно важную роль. Для определения наиболее благоприятного времени для начала войны, посева и сбора урожая, проведения религиозных церемоний, свадеб и похорон предсказатели, жрецы, мудрецы и астрономы ориентировались на Луну, звезды и природный ритм жизни растений и животных (а также на множество суеверий). Умение определять эти важные даты давало власть, а власть неизбежно влекла за собой злоупотребление властью. Судя по всему, римские жрецы, отвечавшие за календарь, не брезговали возможностью укоротить срок правления того или иного неугодного политика. Как пишет журналист Дэвид Юинг Дункан, «Наиболее политизированные жрецы иногда увеличивали длительность календарного года, чтобы дольше удержать у власти угодных им консулов и сенаторов, а иногда укорачивали, чтобы побыстрее убрать их соперников».
Не удивительно, что первые попытки предсказать смену сезонов основывались на поведении двух самых заметных небесных тел. Однако Солнце и Луна существуют в разном ритме. На протяжении тысячелетий хранители времени вынуждены были мириться с неприятным фактом, заключающемся в том, что солнечный год не делится на целое число лунных месяцев. Земля оборачивается вокруг Солнца за 365,25 суток (хотя на протяжении большей части человеческой истории считалось, что это Солнце вращается вокруг Земли), а Луна в среднем оборачивается вокруг Земли за 29,53 суток. Таким образом, солнечный год включает в себя 13,4 лунных месяца.
В V в. до н. э. вавилоняне нашли выход из положения: в их 19-летнем цикле было 7 лет длительностью по 13 месяцев и 12 лет длительностью по 12 месяцев. Египтяне и римляне мудро решили просто игнорировать лунный цикл при расчете продолжительности года и ритма смены сезонов. Но проблема оставалась: солнечный год содержит нецелое число дней. Другими словами, время вращения Земли вокруг Солнца не делится без остатка на время вращения Земли вокруг собственной оси. Если принять, что длительность года составляет 365 дней, через сотню лет летние каникулы будут начинаться на 25 дней раньше.
Чтобы кое-как привести в соответствие счет дней и лет, Юлий Цезарь созвал математиков, астрономов и философов. И они придумали високосный год. Юлианский календарь состоял из 12 месяцев и 365 дней, но каждые четыре года, в високосный год, добавлялся дополнительный день. В честь Юлия Цезаря один месяц года стали называть июлем.
Это была важная веха в истории человечества, но и юлианский календарь не был идеальным. Нужна была дополнительная, еще более тонкая, настройка. За столетия календарь все больше расходился с солнечным годом, поскольку реальная длительность солнечного года составляет не 365,25 дней, а 365,2425 дней. Чтобы исправить ситуацию, в 1582 г. папа римский Григорий XIII объявил, что раз в 100 лет один високосный год будет пропускаться, а раз в 400 лет будет пропускаться пропуск. Сегодня мы живем по григорианскому календарю, но чтобы еще точнее учесть нерегулярность поведения небесных тел и совместить солнечный день с всемирным координированным временем, нам приходится учитывать пропущенные секунды. Начиная с 1972 г., свыше 20 упущенных секунд были незаметно введены в наши часы.
ПЕРВЫЕ ЧАСЫ
Календари сообщают нам, какой сегодня день, но не могут определить время суток. Для определения времени суток уже с IV в. до н. э. люди начали использовать солнечные часы. Первые солнечные часы представляли собой просто воткнутую в землю вертикальную палочку и черточки, указывавшие, куда попадает тень в разное время дня. В большинстве случаев циферблат был разделен на 12 интервалов, но на протяжении большей части истории длительность «часов» не совпадала с нашими часами, поскольку «часов» всегда было 12, хотя летом день длится 15, а зимой — 9 часов. Такие солнечные часы сообщали относительное время, поскольку часы растягивались или удлинялись в зависимости от сезона.
В Древнем Риме солнечные часы были повсюду. И с этого периода начался непрерывный переход от свободной трактовки времени к жесткой дисциплине часов. Появились и недовольные. Во II в. до н. э. римский поэт Плавт негодовал:
Пусть проклянут боги человека,
который первым додумался, как различать время!
Пусть проклянут они также того,
кто установил в этом месте солнечные часы
и гнусным образом рассек на части мой день.
Когда я был мальчиком,
только мой желудок служил мне солнечными часами,
намного превосходящими в точности все остальные.
Стоило мне чего-нибудь захотеть,
как он напоминал мне об этом,
разве что только негде было этого достать!
А теперь, даже если всего вдоволь,
нельзя ничего съесть, пока не разрешит Солнце.
И вот, из-за того, что город полон солнечных часов,
большая часть народа изнемогает от жестокого голода .
Кроме того, существовали другие способы определить время — не стандартные часы, а таймеры. Клепсидра, или водяные часы, отмечали фиксированный отрезок времени путем пропускания воды через небольшое отверстие до заполнения или опустошения сосуда. А примерно в XIII в. появились первые механические часы.
В отличие от водяных часов, механические часы не замерзают зимой. В отличие от солнечных часов, они работают в пасмурные дни и даже ночью. Возникает резонный вопрос: зачем в то время, когда не было ночных перелетов, видеофильмов и сменной работы, людям нужно было точно знать время дня и ночи? Ответ такой: было одно дело, которое некоторые люди должны были делать через строго определенные промежутки времени, в дождь и в солнечную погоду. Это дело — молитва. Жизнь в монастырях была строго регламентирована, и в соответствии с принятым в VII в. указом папы Сабиниана колокол призывал монахов к молитве 7 раз в сутки. Так что часы были «не просто способом определения времени, но синхронизировали действия людей». Монастыри и церкви первыми перешли на использование механических часов. При церквях возводили колокольни, и часто в обязанность монахов и священников (если они не просыпали) входило следить за временем и звонить в колокол, чтобы объявлять время горожанам:
Братец Якоб, братец Якоб!
Ты не спишь? Ты не спишь?
Слышишь колокольчик? Слышишь колокольчик?
Динь-динь-динь! Динь-динь-динь!
МАЯТНИК
По-видимому, Галилей был первым человеком, который заметил, что время полного колебания подвешенного на веревочке груза практически не зависит от амплитуды колебания. Однако только после смерти Галилея это наблюдение нашло применение в часах с маятником. Но еще при жизни ученого свойства маятника использовались для создания одного из первых медицинских инструментов — пульсилогиума. Этот инструмент представлял собой груз на веревочке, связанной с горизонтальной планкой. Планка позволяла удлинять и укорачивать веревку. Изменяя длину веревки, врач приводил период колебания маятника в соответствие с пульсом пациента. В результате длина веревки служила вполне надежной мерой частоты сердцебиений.
На основе открытия Галилея Христиан Гюйгенс создал первые точные часы с маятником. Он был лучшим математиком, чем Галилей, и смог в деталях разобраться в динамике поведения маятника. Благодаря математическим способностям Гюйгенса и ряду технических новшеств, созданные им в 1657 г. часы стали гигантским прорывом в часовом деле. До Гюйгенса самые точные часы отклонялись от реального времени как минимум на 15 минут в сутки, тогда как среднесуточный уход часов Гюйгенса не превышал 10 секунд.
ШИРОТУ МЕСТОНАХОЖДЕНИЯ ОПРЕДЕЛИТЬ ДОСТАТОЧНО ПРОСТО ПО РАСПОЛОЖЕНИЮ СОЛНЦА В ЕГО ВЫСШЕЙ ТОЧКЕ (МЕСТНЫЙ ПОЛДЕНЬ). НО НИКТО НЕ ЗНАЛ СПОСОБА ТОЧНО ОПРЕДЕЛИТЬ ДОЛГОТУ ПО ПОЛОЖЕНИЮ СОЛНЦА, ЛУНЫ ИЛИ ЗВЕЗД. В ПЕРИОД, КОГДА ПОРТУГАЛИЯ, ИСПАНИЯ, ФРАНЦИЯ, АНГЛИЯ И ИТАЛИЯ СОПЕРНИЧАЛИ В ОСВОЕНИИ БОГАТСТВ НОВОГО СВЕТА, ЭТО БЫЛА ЧРЕЗВЫЧАЙНО СЕРЬЕЗНАЯ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА.
10 секунд по отношению к 24 ч составляют примерно 0,01 %. Такая точность — невероятное достижение в истории часов: это были первые часы, созданные благодаря человеческому разуму и превосходящие по точности часы человеческого мозга. Как мы уже видели, лучший биологический хронометр — циркадные часы, регулирующие наш цикл сна и бодрствования, — имеют точность порядка 1 % (что составляет 15 мин в сутки). Это означает, что период циркадных часов колеблется от 23 ч и 45 мин до 24 ч и 15 мин.
Однако часы Гюйгенса не решили одну из важнейших научных и технологических проблем в истории цивилизации — проблему долготы.
В конце XV и начале XVI в. европейские мореплаватели активно бороздили океаны в поисках новых торговых путей, островов и континентов и даже совершили кругосветное путешествие. Порой они терялись на необъятных просторах океана, поскольку не имели возможности определить свое местонахождение по отношению к оси восток — запад (долготу). Широту местонахождения определить достаточно просто по расположению Солнца в его высшей точке (местный полдень). Но никто не знал способа точно определить долготу по положению Солнца, Луны или звезд. В период, когда Португалия, Испания, Франция, Англия и Италия соперничали в освоении богатств Нового Света, это была чрезвычайно серьезная экономическая проблема.
В поисках земли моряки погибали от голода и цинги, капитаны сажали суда на мель, и огромные сокровища погружались в глубины океана. Во время одной такой катастрофы в 1707 г. британский адмирал сэр Клаудсли Шовелл послал свои суда на острова Силли в юго-западной части Британских островов. В этой экспедиции пропали четыре из пяти судов, на которых в общей сложности находилось около 2 тысяч моряков. Отчасти в результате этой трагедии королева Анна в 1714 г. учредила награду достоинством свыше миллиона долларов в современных деньгах за открытие точного метода расчета долготы в море.
Определить долготу — значит определить свое местоположение в пространстве. Возникает вопрос: какое отношение это имеет к часам? Дело в том, что в математике пространство (расстояние) — дитя времени и скорости (расстояние — это время, помноженное на скорость). Таким образом, любой движущийся с постоянной скоростью предмет можно использовать для расчета расстояний, нужно лишь знать, как долго он движется.
Многие процессы происходят с постоянной скоростью: движение луча света, вращение Земли. На основании почти постоянной скорости звука наш мозг определяет местоположение источника звука. Как мы уже обсуждали в предыдущих главах, мы понимаем, что говорящий находится слева или справа от нас, поскольку звук его голоса попадает в наше левое и правое ухо с разницей примерно в 0,6 мс. На основании этой задержки мозг может рассчитать, идет ли звук слева, справа или откуда-то посредине.
Земля вращается с постоянной скоростью, совершая оборот на 360° за каждые 24 ч. Таким образом, существует непосредственная связь между градусами долготы и временем. Зная, сколько времени прошло с того или иного момента, можно определить, на сколько градусов повернулась Земля: если вы читаете эту книгу вот уже целый час (1/24 часть суток), Земля за это время повернулась на 15° (360/24). Таким образом, если в полдень вы оказались посреди океана и знаете, что сейчас 16:00 по Гринвичу, следовательно, вы находитесь в точности в «4 часах от Гринвича», т. е. на 60° долготы. Проблема решена. Все, что вам требуется, это лишь точный морской хронометр.
Проблемой определения долготы занимались величайшие ученые XVII и XVIII вв., такие как Галилео Галилей, Блез Паскаль, Роберт Гук, Христиан Гюйгенс, Готфрид Лейбниц и Исаак Ньютон. Однако награда, в конце концов, досталась не ученому, а известному изобретателю-самоучке и гениальному часовщику Джону Гаррисону (1693–1776).
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 часов.
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 часов.
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 назад.
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 консорциум ввел определение секунды: «Длительность 9192631770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия 133». 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 высоте. 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.
ЦЕНА ВРЕМЕНИ
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).
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». 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 свет. 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 секунды. 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 на вопрос о природе времени. Почему время течет только в одну сторону? Действительно ли будущее и прошлое принципиальным образом отличаются от настоящего? Или это только обман человеческого мозга? Об этом мы и поговорим в следующих главах.
