איך הסמרטפון שלכם יודע בדיוק איפה אתם?
התשובה נמצאת 19,300 קילומטר מעל ראשכם
בלווין ששומר על הזמן למקצב של שעון אטומי
שמופעל על ידי מכאניקה קוואנטית.
וואו.
בואו נפרוט את זה.
ראשית, למה זה כל כך חשוב לדעת מה השעה על הלווין
כשמה שמדאיג אותנו זה המיקום?
הדבר הראשון שהטלפון שלכם צריך לקבוע
זה כמה הוא רחוק מהלווין.
כל לווין משדר ברציפות אותות רדיו
שנעים מהחלל לטלפון שלכם במהירות האור.
הטלפון שלכם מתעד את זמן הגעת האות
ומשתמש בו כדי לחשב את המרחק ללווין
על ידי שימוש בנוסחה הפשוטה, מרחק = c * זמן,
בה c היא מהירות האור וזמן הוא כמה זמן לקח לסיגנל להגיע.
אבל יש בעיה.
אור הוא ממש מהיר.
אם רק היינו מסוגלים לחשב זמן לשניה הקרובה ביותר,
כל מיקום על כדור הארץ, והרבה יותר רחוק,
היה נראה באותו מרחק מהלווין.
אז כדי לחשב את המרחק לכמה מטרים בודדים,
אנחנו צריכים את השעון הטוב ביותר שהומצא אי פעם.
ופה נכנסים שעונים אטומיים, כמה מהם כל כך מדוייקים
שהם לא יסטו בשניה
אפילו אם יעבדו יותר מ 300 מליון שנה.
שעונים אטומיים עובדים בגלל פיזיקה קוואנטית.
לכל השעונים צריכה להיות תדירות קבועה.
במילים אחרות, שעון צריך לבצע פעולה חוזרה כלשהי
כדי לסמן תוספות קבועות בזמן.
ממש כמו ששעון סבא מסתמך על הנדנוד הקבוע
קדימה אחורה של מטוטלת תחת הכבידה,
התיקתוק של שעון אטומי
נשמר על ידי המעבר בין שני מצבי אנרגיה של אטום.
פה נכנסת לתמונה הפיזיקה הקוואנטית.
מכאניקה קוואנטית אומרת שאטומים נושאים אנרגיה.
אבל הם לא יכולים לקחת כמות שרירותית.
במקום, אנרגיה אטומית מוגבלת לסט מדוייק של רמות.
אנחנו קוראים לאלו קוואנטות.
כאנלוגיה פשוטה, חשבו על כניסה עם הרכב לתוך כביש מהיר.
כשאתם מגבירים את המהירות,
אתם בדרך כלל מאיצים בהמשכיות מנגיד 30 קילומטר לשעה עד 110 קילומטר לשעה.
עכשיו, אם היתה לכם מכונית אטומית קוואנטית,
לא הייתם מאיצים בצורה לינארית.
במקום, הייתם קופצים מיידית, או עוברים, ממהירות אחת לשניה.
לאטום, כשמעבר מתרחש מרמת אנרגיה אחת לאחרת,
המכאניקה הקוואנטית אומרת
שהפרש האנרגיה שווה לתדירות אופיינית,
מוכפלת בקבוע,
בו שינוי האנרגיה שווה למספר, שנקרא קבוע פלאנק,
כפול התדירות.
התדירות האופיינית הזו היא מה שאנחנו צריכים כדי ליצור את השעון שלנו.
לוויני GPS מסתמכים עם אטומי צזיום ורובידיום כסטנדרט לתדירות.
במקרה של צזיום 133,
תדירות השעון האופיינית היא 9,192,631,770 הרץ.
זה 9 מיליארד מחזורים בשניה.
זה שעון ממש מהיר.
לא משנה כמה שען מיומן,
כל מטוטלת, מנגנון מתיחה
וגביש קוורץ רוטטים בתדירות מעט שונה.
עם זאת, כל אטום צזיום 133 ביקום
רוטט באותה תדירות בדיוק.
אז תודות לשעון האטומי,
אנחנו מקבלים זמן מדוייק למיליארדית השניה,
ומדידה ממש מדוייקת של המרחק מהלווין.
בואו נתעלם מהעובדה שאתם כמעט בוודאות על כדור הארץ.
אנחנו יודעים עכשיו שאתם במרחק קבוע מהלווין.
במילים אחרות, אתם היכן שהוא על פני השטח של כדור
ממורכז סביב הלווין.
מדדו את המרחק ללווין שני
ואתם מקבלים מעגל נוסף חופף.
המשיכו לעשות את זה,
ועם ארבע מדידות בלבד,
ומעט תיקון בשימוש בתורת היחסות של איינשטיין,
אתם יכולים למקד את המיקום שלכם לנקודה מדוייקת אחת במרחב.
אז זה כל מה שדרוש:
רשת של לווינים בשווי מיליארדי דולרים,
אטומי צזיום רוטטים,
מכאניקה קוואנטית,
יחסיות,
סמרטפון,
ואתכם.
אין בעיה.