어떻게 스마트폰은 여러분이 어디 있는지 정확하게 아는 걸까요?
그 답은 바로 여러분의 머리 위 12,000마일 떨어진 인공위성에서
공전하며 양자역학의 힘으로 원자시계의 리듬으로 시간을 맞추는 데 있습니다.
휴~! 어렵네요. 좀 더 쉽게 풀어봅시다.
우선, 왜 인공위성의 시간을 아는것이
우리가 관심있는 위치를 알고자 할 때 왜 그렇게 중요할까요?
먼저 여러분의 스마트폰이 결정해야 하는 것은
인공위성으로부터의 거리입니다.
각각의 인공위성은 끊임없이 라디오 신호를 보내고 있고,
그 신호는 빛의 속도로 여러분의 폰에 전달되죠.
그 폰은 신호 도착시간을 기록하고요, 이것으로 인공위성과의 거리를 계산하죠.
간단한 공식을 이용합니다. '거리=C x 시간'
이때 C는 빛의 속도이고, 시간은 신호가 도착하는데 걸린 시간입니다.
하지만 문제가 하나 있는데, 빛이 엄청나게 빠르다는거죠.
우리가 아무리 시간을 초단위에 가장 가깝게 계산할 수 있다 할 지라도
지구의 모든 위치, 혹은 지구 밖에서도
인공위성에서의 거리는 아마 같게 될 것입니다.
그래서, 거리를 피트 단위로 계산하기 위해서
우리는 그동안 발명된 것 중에서 최고의 시계를 사용해야 합니다.
자, '원자시계' 등장합니다.
어떤것은 아주 정밀해서,
앞으로 심지어 3억년이 흘러도 단 1초의 오차도 없습니다.
원자시계는 양자물리학으로 움직입니다.
모든 시계는 반드시 지속적으로 일정한 주기를 갖고있어야 하는데요,
다른 말로하면, 시계는 어떤 반복되는 작업을 수행해서
동일한 시간의 증가분을 표시해야 합니다.
마치 할아버지의 시계가
중력에 의해 지속적으로 왔다갔다하는 시계추에 의존하는 것처럼,
원자시계의 '똑딱'은
한 원자의 두 에너지 레벨 사이의 전이에 의해 유지됩니다.
이 지점이 바로 양자물리학이 들어와 작용하는 지점이죠.
양자역학에서는 원자가 에너지를 갖고 있다고 말합니다.
그러나 임의적으로 아무렇게나 에너지량을 갖을 수는 없다고 하죠.
대신, 원자에너지는 정밀한 수준으로 한정되어 있는데,
우리는 이것을 '양자' 라 합니다.
간단한 비유로, 고속도로를 달리는 자동차를 생각 해 보세요.
여러분이 속도를 올림에 따라,
아마, 보통 시속 20마일에서 최고 70마일 정도로 주행할 겁니다.
이제, 만약 양자 원자 자동차가 있다고 해 봅시다.
여러분은 아마 죽, 직선적으로 가속되지는 않을 겁니다.
대신, 한 속도에서 그 다음 속도로 확 뛰어넘거나 '전이'될 겁니다.
원자에서는 한 에너지 레벨에서 다른 에너지로 전이가 일어날 때,
양자역학에서 말하길,
에너지 편차 = 고유진동수 x 상수 라고 합니다.
에너지의 변화는 '플랑크 상수'라고하는 숫자 곱하기 진동수 라는거죠.
그 고유진동수가 바로 우리가 시계를 만들 때 필요로 하는 겁니다.
GPS위성은 표준진동으로 세슘과 루비듐원자를 쓰는데,
세슘 133의 경우, 시계 고유진동수는 9,192,631,770Hz입니다.
바로, 초당 9십억 회전이란 겁니다. 정말 빠른 시계인거죠.
제 아무리 기술좋다는 시계공이라 할지라도,
모든 시계추, 태엽방식, 수정방식 진동자라도,
공진함에 있어 약간의 진동편차가 있게 마련입니다.
하지만 우주상의 모든 세슘133원자는,
정확한 주기로 진자운동을 합니다.
그래서 고맙게도 원자시계 덕분에
우리는 10억분의 1초까지 정확하게 시간을 읽을 수 있고
아주 정밀하게 인공위성으로부터의 거리를 측정할 수 있습니다.
여러분이 거의 지구에 있다는 사실에서 '아주 확실하게'를 무시해 봅시다.
이제 여러분이 인공위성으로부터 고정된 거리에 있다는 걸 알았습니다.
달리 말하면, 여러분은 지구 표면의 어딘가에
인공위성의 중심에 자리 잡고 있다는 거예요.
두번째 위성으로부터 거리를 측정하면 지구에 겹치는 또 한부분을 알게 되죠.
계속 그렇게 하다가 네번째 측정에서,
아인슈타인의 상대성이론으로 약간의 수정과정을 거치면,
정확하게 여러분이 위치한 한 지점을 짚어낼 수 있게됩니다.
그게 필요한 전부입니다.
수십억달러짜리 인공위성 네트워크,
세슘원자의 진자운동, 양자역학, 상대성이론, 스마트폰,
그리고 여러분이 있는 거죠.
문제없어요!