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最重要的是，发射的光子与衍生的光子是无法区分的。如果你认为这些光子不是粒子，而是一种微小的光波，那么它们就是完全同步的。它们所有的波峰和波谷都是一致的，这意味着它们携带着相同颜色的光，处于同一方向和同一相位。
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没有常识性的方法可以理解受激发射是如何形成的，或者说为什么新的光子会是旧光子的副本，这种现象是量子力学奇特逻辑的结果，原子和亚原子世界中的物理学会打破我们日常生活中的直觉。1917年，爱因斯坦发现了受激发射在理论上的必然性，后来人们又花了43年时间才想出如何利用这一原理创造出第一道激光。
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事实上，仅有受激发射还不够；激光的形成还依赖于其他两个关键因素。首先，我们必须找到一种方法，让大多数西瓜在大部分时间里都待在凳子上，因为它们是唯一能引起受激发射的对象。地面上的西瓜毫无用处。这意味着我们要花费很多能量，因为每发生一次受激发射西瓜就会落地。这个不断把西瓜举回凳子上的过程被称为“抽吸”激光，目的是产生“粒子数反转”，这个过程主要取决于你使用的激光类型，我们可以通过加热原子、用闪光灯照射原子或向原子放电来一齐激发它们。注入的能量会使粒子数反转，从这个意义上讲，它将很大一部分原子从它们偏爱的基态提升到了更高的能级。
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其次，我们需要找到一种使光增强并创造在唯一方向运动的窄光束的方法。二者都可以通过把原子放在光的回音室中实现，物理学家把回音室称为“共振腔”。管风琴是声音的共振腔，吉他的琴身也是，它们可以把琴弦微弱的震动增强使之成为乐器完整的声音。激光的共振腔也做着相同的事情，不同的是，它处理的是光波。我们取一个长薄玻璃管，用适当的原子或分子气体填充它；或取一个实心的红宝石棒……总之有许多方法可以用于制造激光。然后，把镜子放在两端，按下开关开始抽吸激光（举起那些西瓜）。接着，自发射开始启动连锁反应。需要注意的是，那些最初的光子是朝随机方向射出的。当它们触发后续的受激发射过程时，那些最初的光子便会克隆自己，但因为它们仍然运动在初始时的随机方向上，它们中的许多会撞上管壁被吸收掉，因此它们对激光没有贡献。换句话讲，这些方向现在都已被巧妙地过滤掉了。只有在镜子之间来回反弹的光子幸存了下来。它们不仅幸存了下来，而且还会增殖。每经历一次反弹，它们都会产生越来越多的完美副本，从而加强它们的光，并创造出由完美的同步光子组成的壮丽光束。为了使其中的一些光射出来，我们应让其中一面镜子的反射率略小于100%，于是，射出来的一小部分同步光就是我们看到的激光束。
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最核心的谜团就在这里：为什么新创建的光子总是与那些制造它们的旧光子同步呢？这个问题在下一章我们深入了解量子领域的同步时将会再次出现。
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另一类无生命的同步现象出现在美国电网的核心，即向美国的家庭和办公室的电源插座提供交流电的电气巨头。美国各地成千上万座发电厂连接在一起，组成了两个巨大的、同步的机器，即为落基山脉东西两侧的所有州供电的区域电网。（得克萨斯州有自己的电网。）每个网格就像一个巨大的发电机，其内部的所有发电机组同步旋转。
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我已经听说过电网多年，但并没有真正考虑过它的意义。也许你也像我一样，从未考虑过你使用的电力来自何处；如果考虑过的话，那么你应该会猜测是来自附近的发电厂，大多数人的感觉都是如此。然而事实是，在美国中西部地区的热浪中，威斯康星州的空调使用的电力可能来自南卡罗来纳州的某座发电厂。如果没有同步，电力的无缝传输是不可能实现的。
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下面，我们简要地概述一下电力系统的运行原理。发电厂利用某些形式的自然能量驱动涡轮，让发电机旋转产生电力。例如，发电厂可以燃烧煤、石油、天然气或使用核能，创造出足够的热量将水烧开形成蒸汽，然后用蒸汽驱动涡轮机旋转。也有发电厂利用水流来转动水电站水轮，例如利用尼亚加拉大瀑布。电力一旦产生，就变成更高的电压，高达765千伏，以便将电力输送到全美范围内的输电网络中。这使得发电厂可以在全美范围内传输电力，将电力输送到电力短缺的地方或赚取差价。在线路的终端，电压降到120伏，成为美国家中和办公室中所使用的电力。
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电网的起源可以追溯到1882年，当时托马斯·爱迪生创立的、位于曼哈顿的珍珠街发电站开业，它可以为59个客户提供电力。这项新技术立即引起了轰动，到了19世纪80年代晚期，其他几座城市也实现了电气化。爱迪生年轻的公司——通用电气，用直流电为城市提供电力（就是我们熟悉的电池的供电形式），电流平稳地从高电压流向低电压，类似于水流下山坡。
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然而，直流电的麻烦是它的传输范围不能超过几个城市街区。在长距离传输中，大量电力会转变成热量耗散掉，这是电线上的电阻导致的必然结果。唯一的补救办法是用高电压低电流传输电力，因为耗散的能量与电流的平方成正比，所以要使电流尽量小。但这个方案并不可行，因为爱迪生的客户需要低电压，给他们的台灯和其他小型电器供电。当时迫切需要的是一种被称为直流变压器的装置，它能将直流电从高电压变成低电压。而没有人知道如何制作这种装置，爱迪生也不例外。
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与此同时，在19世纪90年代，西屋公司正在实验一种新的电流——交流电，它由尼古拉·特斯拉首创，交流电可以随发电机的旋转同步交替改变电流的方向。这两种方式之间展开了激烈的竞争，最终交流电胜出，因为它更容易将高电压变成低电压，反之亦然。同时，从本质上说，交流发电机更简单，因为旋转的磁体可以自动产生交流电，而将交流电变成直流电只需要一个额外的步骤。
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交流电的主要问题是应该使用什么样的频率。换句话讲，就是电流每秒钟应该摇摆多少次。1900年，当各方争取决定权的时候，许多美国当地的电力公司实行独立运作，尝试了不同的选择。有些公司顽固地坚持使用直流电，而另一些公司产出的交流电频率为25赫兹、50赫兹、60赫兹、125赫兹或133赫兹。例如，尼亚加拉大瀑布的水电站和其他水电站偏爱25赫兹，因为发电机中的涡轮机在以这个速度运行时效率最高。但这个频率有一个奇怪的缺点，不是在工程方面，而是在心理方面：25赫兹会使白炽灯也以这个频率闪烁，大多数人都会注意到，并感觉心烦不已。今天，北美洲的交流电频率标准为60赫兹，而世界其他地区都是50赫兹。
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渐渐地，随着对电力需求的增长，地方电厂规模扩大，侵占了彼此的势力范围。在这个时候，互联电网诞生了。电网合并有很多优点，如网络系统更为可靠，因为发电厂可以将富余的电力传送到另一处设备出现故障或发电量不足的电厂。合并还可以带来更高的经济效益：不同地区的电厂可以买卖彼此的电力，赚取基于不同服务成本的差价，甚至有时从电网购买电力比电厂自己发电更便宜。
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互联电网的技术难点在于，所有生产的电力都必须被同步到相同的旋转速率，即便它们可能相隔数百公里之遥。同步在这一点上至关重要。没有同步，电能会在网络中来回晃动，在输电线路中引起巨大的电流波动。最糟糕的情况是，发电机可能会吸引大量的能量聚集，导致爆炸或机组严重损坏。（现在已有特殊防护设备会断开不同步的发电机。）解决方案的一部分来自物理定律。电气工程师发现，并联的发电机具有天生的自同步倾向：这是关于自同步的一个绝佳例子，其精髓基于惠更斯的时钟同步现象。
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两台发电机自同步的情况最容易理解。如果它们以不同的速率旋转，速率慢的发电机就会从速率快的发电机那里吸收能量，最终慢的那台会加速，快的那台会减速，以弥补差异。用更专业的物理术语讲，任何引起一台发电机牵引另一台发电机的干扰，都会被立即流过的补偿电流所抗拒，于是产生了扭转力矩，使两台发电机的速率变得更加接近，及至相等。因此，两台发电机倾向于自同步。
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互联电网的缺点是故障会传递。这种多米诺效应十分复杂、无法预知，极具戏剧性。在1965年9月9日晚用电高峰期间，从尼亚加拉大瀑布到纽约市的高压电线正在满负荷运行，电力的洪流在电网中横冲直撞。但在下午5：15之前不久，保护装置失灵，阻塞了30万千瓦计划送往纽约的电力，这些电力立即被岔开到了电网中的其他地方，一个断路器跳闸后触发了连锁反应，将整个美国东北部的电力系统分隔成一个个孤立的电气岛。5：15多伦多停电；5：18罗切斯特停电；5：21波士顿停电。最终，位于新罕布什尔州、佛蒙特州、马萨诸塞州、康涅狄格州、罗得岛、纽约市以及宾夕法尼亚州部分地区遭遇了停电，3 000万人生活受到影响，其中部分地区停电长达13小时。
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偶尔有类似这样的连锁故障发生是可以理解的。电网是一个非常复杂的动力系统，承担的工作十分艰巨：即时提供需要的电力，其电压大小和频率必须正确。与其他产品不同，电力无法储存，它必须在现场生产，发电是最初的“分秒不差”的工业。使发电任务更为艰巨的是，用户对系统的需求取决于不可控制的因素，例如热浪和人的心理怪癖。当法官宣读完辛普森杀妻案(10)的判决书时，整个美国电网中的用电量迅速下跌，大概是因为数百万人一听到判决就关掉了电视机。现在，随着电力工业解除了管制规定，以及自由经济对于电网运行的潜在的不稳定影响，工程师和科学家面临着更大的挑战，必须确保有史以来最庞大的机器继续像过去几十年一样可靠地运行。
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在其他技术应用领域，同步被用于保持事物的有序性。一天中，两个或两个以上的远程位置的精确协议是达成电子银行转账、同步电视直播以及传送一切事物（从电子邮件到电台上的歌曲）的关键。当你收听一个广播电台时，你需要设置到正确的频率，使你的收音机与广播同步。没有这些，你就无法接收到承载着音乐的无线电波，除了静电的噪声，你什么都听不到。相同的原理也应用于手机、卫星通信以及所有其他形式的无线通信中。
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计算机芯片中的所有电子组件都是在相同的时钟频率下同步运行的。微电子晶体每秒振动数十亿次，一致地控制数字电路的开启和关闭，这有助于芯片中数以百万计的电路彼此高效地通信。这种集中化设计使得所有的组件都隶属于一个专制的主时钟，其中存在一些明显的缺点：15%的电路浪费在分配时钟信号上，而且时钟本身就会消耗20%的电能。但工程师们仍然倾向于这种设计，因为多个本地时钟就像萤火虫群和昼夜节律起搏器细胞一样，我们仍然未能充分理解并轻易地在实践中模仿。
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同步的高新技术应用是惠更斯摆钟和经度问题的嫡系后裔。今天，世界上公认的最好的计时装置是原子钟。与所有早期的时钟类似，它依赖于对周期事件振荡的计数。但原子钟计算的不是太阳的升起、水龙头的滴水，也不是钟摆的来回摆动，而是铯原子在两个能级之间的来回跃迁。国际时间标准，由科罗拉多州博尔德的美国国家标准与技术研究所维护的NIST-F1原子钟确定，它就是一台铯原子钟，运行2 000万年的误差不超过1秒。而目前正在开发的一个新的光学时钟的精度是这台铯原子钟的1 000倍。从宇宙诞生到现在，它的误差不超过1秒。
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对于精确计时的痴迷不仅仅是科学家一丝不苟的体现。正如精确的时钟是解决经度问题的关键，原子钟使得我们可以精确定位地球上的任意位置，误差不超过几米，这种技术被称为全球定位系统（GPS）。全球定位系统由美国军方开发，目的是使弹道导弹可以从潜艇上更准确地发射。1991年，全球定位系统成功引导巡航导弹射入巴格达的一栋楼房的窗户，并为联军部队在夜间的伊拉克沙漠中导航，从此，全球定位系统开始受到公众的关注。全球定位系统在和平时期的应用包括帮助迷路的出租车司机导航，应用于精细农业，自动为救护车和消防车计算最快的路径以提升911报警系统的能力。改良版的全球定位系统正在测试应用于大雾中的飞机盲着陆，在这种情况下，飞机在水平和垂直方向上的定位误差不能超过10厘米。但是，全球定位系统不仅仅是一个导航系统，它还可以将时间同步到万分之一秒以内，这对于协调银行转账以及其他金融交易非常有帮助。
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全球定位系统由在地球上空17 700千米的轨道上运行的24颗卫星组成，它们的排列使得在任何时刻，地球上的任意位置都至少可以看到6颗卫星。每颗卫星上都载有4台原子钟，彼此之间与博尔德的主时钟的同步误差不超过十亿分之一秒。任意全球定位系统接收机，例如你在汽车或手持设备上发现的那些，都会接收到（至少）4个卫星信号，并利用这4个数字来计算它的三维坐标和当前时间。计算依据的是三角测量的一种形式：卫星持续发射无线电信号，每个时间戳(11)都精确到纳秒（这是星载原子钟的时间）；然后由接收机对接收时间和发送时间进行比较，将二者的差值乘以光速便可计算出设备与卫星之间的距离。在同一时刻与至少4个卫星做相同的计算（我们已知所有卫星的精确位置），接收机在1/10秒内便可以完成对自身的定位，误差不超过几米。
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