Роджер Истон не должен был стать отцом глобальной навигации. Он вообще не должен был работать в науке. В 1943 году, когда ему было 22, он окончил колледж и сразу отправился на фронт — Вторая мировая гремела вовсю. Истон попал на Тихий океан, служил на эсминце, чинил радиоаппаратуру. Однажды ночью, когда корабль болтало в полной темноте, а капитан пытался по звездам определить их местоположение, молодой техник впервые подумал: «Должен быть способ проще. Должен быть способ, при котором ты всегда знаешь, где находишься».
Через 20 с лишним лет он тот способ придумает. Но пройдет еще почти полвека, прежде чем его имя впишут в Национальный зал славы изобретателей — и то не сразу.
История GPS — это не история одного гения. Это история о том, как фундаментальная наука, созданная, казалось бы, для познания далеких галактик, вдруг оказывается единственным способом правильно доехать до дачного участка. И о том, как человек, благодаря которому это стало возможным, получил Нобелевскую премию совсем не за то, о чем вы думаете.
Спутники, которые «знают» время
Давайте сразу к сути. Когда вы открываете навигатор в телефоне, ваш приемник ловит сигналы от спутников, висящих на высоте около 20 000 километров. Каждый спутник постоянно транслирует простую информацию: «Я спутник номер такой-то, сейчас время такое-то, я нахожусь вот здесь». Сигнал движется со скоростью света — примерно 300 000 километров в секунду. Приемник засекает, сколько времени сигнал шел от спутника до него, и вычисляет расстояние.
Если у вас есть расстояние до одного спутника, вы знаете, что находитесь где-то на поверхности огромной сферы радиусом в это расстояние. Добавляете второй спутник — получаете окружность на пересечении двух сфер. Третий спутник дает вам две возможные точки. Четвертый нужен, чтобы синхронизировать часы вашего приемника с атомными часами спутников, потому что ваш телефон не несет на борту цезиевый стандарт частоты. Без четвертого спутника точного позиционирования не будет — время станет той самой «четвертой неизвестной», которую необходимо устранить.
Вся эта схема называется трилатерацией. Но есть нюанс.
38 микросекунд, которые меняют всё
Спутник GPS движется по орбите со скоростью около 14 000 километров в час. Одновременно он висит в очень слабом гравитационном поле — на высоте 20 000 километров земное притяжение составляет лишь четверть от того, что мы ощущаем на поверхности. И оба этих факта, согласно теориям относительности Эйнштейна, влияют на ход времени.
Специальная теория относительности говорит нам: часы на быстро движущемся объекте идут медленнее, чем часы на неподвижном наблюдателе. Для спутника GPS это означает отставание примерно на 7 микросекунд в сутки.
Общая теория относительности утверждает: в более слабом гравитационном поле часы идут быстрее. Для спутника GPS это дает ускорение примерно на 45 микросекунд в сутки.
Складываем два эффекта: 45 минус 7 равно 38 микросекунд в сутки. Именно на столько часы спутника GPS убегают вперед относительно земных. Казалось бы — смешная величина. Но свет за 38 микросекунд проходит около 11 километров. Если бы релятивистские эффекты не корректировались, ошибка позиционирования нарастала бы со скоростью примерно 10 километров в день. Через неделю вы бы искали свой автомобиль в соседней области.
Решение придумали элегантное: часы на спутниках намеренно «замедляют» еще на заводе. Их частота не 10.23 мегагерца, а чуть-чуть ниже — 10.22999999543 мегагерца. Ровно настолько, чтобы на орбите они тикали синхронно с земными.
Позорное утро 1978 года
Американские военные не сразу в это поверили. Когда 22 февраля 1978 года первый спутник GPS вышел на орбиту, его атомные часы были настроены без учета релятивистских поправок. То ли проектировщики постеснялись спросить у физиков, то ли им показалось, что «теоретическая чушь» не может повлиять на военную технику — источники не дают точного ответа. Известен результат.
Уже через несколько часов часы на спутнике убежали вперед настолько, что навигационные данные обессмыслились. В течение суток ошибка достигла 11 километров. Спутник, стоивший миллионы долларов и запущенный с величайшими предосторожностями, оказался бесполезен для навигации.
Пентагон пришел в ярость. Ответственным за проект офицерам пришлось выслушать много нелестного. В экстренном порядке на спутнике активировали систему коррекции — конструкторы предусмотрели такую возможность, хотя изначально не были уверены, что она понадобится. На всех последующих аппаратах релятивистские эффекты уже учитывали с самого начала.
Это был дорогостоящий урок, доказавший, что самая абстрактная теория, рожденная в голове патентного клерка из Берна, имеет прямое и безжалостное отношение к военным спутникам на орбите.
И вот здесь история делает забавный поворот.
Нобелевская премия не за то
Альберт Эйнштейн — самое узнаваемое лицо в науке. Его фамилия стала синонимом гениальности. Специальная теория относительности (1905 год), общая теория относительности (1915 год) — две работы, перевернувшие представление человечества о пространстве и времени. Именно они лежат в основе GPS.
Нобелевскую премию Эйнштейн получил в 1922 году. За что? За открытие фотоэлектрического эффекта. Не за теорию относительности. Нобелевский комитет счел, что теория относительности недостаточно подтверждена экспериментально, чтобы давать за нее главную научную награду мира. Эйнштейна номинировали на нее 62 раза в течение 12 лет, но академики упорно отказывались.
Кстати, о своем достижении, за которое он получил премию, Эйнштейн на нобелевской лекции в 1923 году не сказал ни слова. Он читал лекцию о теории относительности. Потому что именно ее считал главным делом своей жизни.
Ирония судьбы: сегодня каждый владелец смартфона ежедневно подтверждает правоту Эйнштейна, даже не подозревая об этом. Миллиарды людей носят в кармане экспериментальное доказательство общей теории относительности. Академики из Нобелевского комитета 1920-х годов не могли бы и вообразить такой масштаб проверки.
От спутников-шпионов к вашему карману
Изначально GPS задумывался исключительно для военных целей. Американские подводные лодки должны были точно знать свои координаты, чтобы наносить ядерные удары. Самолеты — чтобы не сбиваться с курса в ночных миссиях. Ракеты — чтобы попадать в цель с минимальным отклонением.
Переломный момент наступил 1 сентября 1983 года. Советский истребитель сбил над Сахалином южнокорейский пассажирский «Боинг-747», выполнявший рейс KAL 007. Погибли все 269 человек, находившихся на борту. Самолет отклонился от курса и случайно вошел в воздушное пространство СССР. Трагедия потрясла мир, и президент Рональд Рейган объявил, что отныне GPS будет доступен для гражданских пользователей, чтобы подобные навигационные ошибки никогда не повторились.
Потом был долгий путь. В 1991 году, во время войны в Персидском заливе, GPS стал незаменимым инструментом для ориентации в пустыне. В 2000 году президент Билл Клинтон отключил режим «загрубления» сигнала для гражданских приемников — и точность для обычных пользователей мгновенно выросла с сотен метров до десятка. Сегодня GPS-чип стоит копейки и встроен во всё: от айфона до трактора, от дрона до слухового аппарата.
А вот человек, благодаря которому это стало возможным, долго оставался в тени.
Роджер Истон: признание длиною в полвека
Роджер Истон родился в 1921 году в небольшом городке Крафтсбери, штат Вермонт. После войны, в 1948 году, он пришел работать в Военно-морскую исследовательскую лабораторию США (NRL) в Вашингтоне — и остался там на 37 лет. Лаборатория была тем самым местом, где тихие гении могли заниматься тем, что им интересно, не оглядываясь на публику и прессу.
В конце 1950-х годов Истон работал над системой слежения за космическими аппаратами MINITRACK — она, по сути, и позволила американцам отслеживать советские спутники. А в 1964 году он предложил концепцию, которая сначала показалась коллегам чудачеством: «Давайте запустим в космос атомные часы. Они будут передавать точное время на Землю. Любой приемник, зная координаты спутников и время прохождения сигнала, сможет вычислить свое местоположение». Программу назвали TIMATION — сокращение от «Time Navigation», то есть «временная навигация».
Это сейчас кажется очевидным. А тогда атомные часы были громоздкими лабораторными установками, которые требовали постоянного внимания инженеров. Идея отправить их в вакуум, тряску и перегрузки — да еще и сделать так, чтобы они работали годами без вмешательства человека, — казалась безумием. Но Истон настоял. В 1967 году первый экспериментальный спутник TIMATION отправился на орбиту. В 1977-м взлетел NTS-2 — по сути, прототип полноценного навигационного спутника, с двумя цезиевыми атомными часами на борту.
Истон придумал саму архитектуру: пассивное определение координат по времени прохождения сигнала, круговая орбита, синхронизация часов. Но он был флотским, а конкурирующий проект развивали ВВС, и его возглавлял полковник Брэдфорд Паркинсон. Именно Паркинсона часто называют «отцом GPS» — он действительно сыграл ключевую роль, превратив разрозненные эксперименты в единую работающую систему.
В 2003 году престижную Дрэперовскую премию — своего рода «Нобеля для инженеров» — вручили Ивану Геттингу и Брэдфорду Паркинсону. Истон в списке лауреатов не значился.
Его включили в Национальный зал славы изобретателей только в 2010 году. Ему было 89 лет. Через четыре года он умер.
Физик Дэниел Клеппнер, соратник Истона и один из создателей водородных атомных часов, чьи разработки легли в основу GPS, позже говорил в интервью: «Идея проверить общую теорию относительности Эйнштейна привела к GPS. Мы не разрабатывали GPS, но атомные часы — это его сердце. Для меня особенно приятно, что технология, созданная для фундаментальной науки, теперь служит каждому, у кого в кармане лежит телефон».
Без Эйнштейна ваш навигатор врет на 10 километров
Можно подвести черту. Те, кто придумал GPS — Истон, Геттинг, Паркинсон — совершили инженерный подвиг. Те, кто создал атомные часы — Рэмси, Клеппнер и их коллеги — дали этому подвигу инструмент. Но человек, без теорий которого всё это не работало бы ни секунды, никогда не получал за свои теории Нобелевскую премию.
Специальная теория относительности говорит, что время замедляется при движении. ОТО говорит, что время ускоряется при удалении от массивного тела. Без учета обеих теорий ваше местоположение на карте будет смещаться на 10 километров в день — навигатор превратится в бесполезную игрушку, а самолет, ведомый только приборами без релятивистской коррекции, просто не найдет полосу.
Эйнштейн, когда писал свои уравнения в патентном бюро Берна, не думал о смартфонах. Он думал о природе пространства и времени. И в этом, пожалуй, главный урок: самая отвлеченная мысль гения однажды становится опорой для самой практичной технологии. Просто иногда для этого требуется полвека, упрямство военных инженеров и несколько взбешенных генералов, которым объяснили, что «ваша теория относительности» — это не теория, а железный факт, без которого их многомиллионный спутник не стоит и цента.
А теперь — вопрос для читателя. Приходилось ли вам когда-нибудь в жизни сталкиваться с ситуацией, когда непонятная, абстрактная, «ненужная» теория или знание вдруг оказывалось критически важным в самый неподходящий момент? Расскажите в комментариях.