Завтрак с Эйнштейном. Экзотическая физика повседневных предметов

Телекоммуникации на больших расстояниях сами по себе не считаются новой технологией, мы посылали электронные послания между континентами со времен изобретения телеграфа. Интернет в том виде, как мы его знаем, однако, был бы невозможен без развития высокочастотных оптоволоконных сетей, способных передавать невероятно огромные количества данных. В наши дни большая часть интернет-трафика передается на большие расстояния за счет импульсов света, путешествующих по оптоволокну, и лазеры, которые создают эти импульсы, были бы невозможны без понимания квантовой физики.

Мировая паутина до Интернета

Эра глобальных телекоммуникаций значительно старше, чем полагают большинство людей, и она простирается до 1858 года, когда был создан первый трансатлантический телеграфный кабель между Ирландией и Ньюфаундлендом. Первое соединение потребовало героических усилий и длилось всего примерно месяц до того, как прервалось. Однако на короткий момент Европа и Северная Америка могли обмениваться посланиями, не ожидая неделями, пока корабль физически пересечет океан.

Короткий успех и ранний провал первого кабеля ускорил новые усилия, и в 1866 году гораздо более прочный и лучше сконструированный, с инженерной точки зрения, кабель был проложен по дну Северной Атлантики. Телеграфный контакт между континентами с тех пор поддерживался постоянно. В последние полтора столетия еще много кабелей были протянуты, объединяя весь земной шар.

Критической метрикой для любых коммуникационных сетей является скорость, с которой они могут передавать информацию, это часто называют «полосой пропускания[92]». Она измеряется в терминах битов в секунду[93]. Полоса пропускания самого первого трансатлантического кабеля в 1858 году была весьма плохой: передача первого официального послания от британской королевы Виктории президенту США Дж. Бьюкенену заняла семнадцать часов и сорок минут, намного меньше одной десятой бита в секунду. Улучшения в технологии изготовления кабелей и телеграфа быстро повысили скорость передачи, и в 1866 году кабель уже передавал послания примерно в восемьдесят раз быстрее, но полоса пропускания трансатлантической связи оставалась низкой вплоть до начала XX века.

Телеграф и позднее телефонные кабели переносили электрические импульсы через огромные расстояния с помощью медных кабелей и сталкивались с серьезными проблемами затухания сигнала.

Даже такой прекрасный проводник, как медь, имеет некоторое электрическое сопротивление, что на больших расстояниях ведет к постепенному понижению напряжения полученного сигнала относительно напряжения посланного сигнала. Это может решаться с помощью увеличения напряжения при посылке сигнала, но только до определенных пределов: полный провал работы кабеля 1858 года был частично обусловлен неразумным использованием источников высокого напряжения на Северо-Американской стороне, что в конце концов вызвало коррозию изоляции подводного кабеля.

Хотя затухание сигнала – проблема и для кабелей, проходящих по суше, особенно остро она проявляется для тех, что проложены по дну океанов. На земле затухание можно победить, добавив «повторители» через регулярные расстояния для того, чтобы получить сигнал с низким напряжением и переслать его дальше уже с более высоким напряжением. Однако размещение повторителей (усилителей или ретрансляторов[94]) на глубине океана было полностью невозможным в 1860-х годах, и прошло почти столетие до тех пор, пока первый кабель с автоматическим ретранслятором был протянут через Атлантику. Хотя добавление ретрансляторов решало проблему затухания, это удорожало и усложняло кабели как на земле, так и под водой. Повысить пропускную способность медных линий передач оставалось главной проблемой для телекоммуникационных инженеров в течение многих десятилетий.

Развитие лазеров позволило невероятно увеличить полосу пропускания, перейдя к принципиально другому способу передачи сигнала. Вместо того, чтобы кодировать «0» и «1» в качестве битов сигнала, как разных напряжений, посылаемых через медный кабель, современные сети представляют их виде импульсов света по принципу «включено-выключено» через тонкие волокна из стекла.

Оптическое волокно представляет собой тонкий цилиндр, сделанный из двух слегка отличающихся типов стекла: тонкая «сердцевина» из одного типа окружена «покрытием»[95] 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.