Kaip jūsų išmanieji tiksliai nustato kur esate?
Atsakymas slypi 19 312 km virš jūsų galvų,
orbitos palydove, kuris kvantinės mechanikos pagalba
susieja laiką su atominio laikrodžio tiksėjimu.
(Atodūsis)
Panagrinėkime.
Pirmiausia, kodėl taip svarbu žinoti, koks laikas yra palydove
kai mus domina lokacija?
Pirmas dalykas, kurį turi nustatyti telefonas,
tai kaip toli jis yra nuo palydovo.
Kiekvienas palydovas pastoviai transliuoja signalus,
kurie iš kosminės erdvės, šviesos greičiu, atkeliauja į jūsų telefonus.
Jūsų telefonas įrašo signalo gavimo laiką
ir naudoja jį nustatyti atstumui iki palydovo,
pasitelkiant paprastą formulę: atstumas = c × laikas,
kur c yra šviesos greitis, o laikas parodo per kiek laiko signalas atkeliavo.
Bet yra problema.
Šviesos greitis neįtikėtinai didelis.
Jei mes gebėtume suskaičiuoti laiką tik sekundės tikslumu,
visos vietos žemėje ir dar toliau
atrodytų nutolusios nuo palydovo tokiu pačiu atstumu.
Taigi, kad nustatytume tą atstumą kelių dešimčių kilometrų tikslumu,
mums reikia geriausio kada nors išrasto laikrodžio.
Štai įžengia atominiai laikrodžiai, kai kurie tokie tikslūs,
kad nepridėtų ir neatimtų nė sekundės,
net jei veiktų dar 300 milijonų metų.
Atominiai laikrodžiai veikia dėl kvantinės fizikos.
Visi jie turi turėti pastovų dažnį.
Kitaip tariant, laikrodis turi pakartotinai atlikti veiksmus,
kad pažymėtų ekvivalenčius laiko žingsnelius.
Taip pat kaip senelio laikrodis remiasi pastoviu švytuoklės judėjimu
pirmyn ir atgal, pagal gravitaciją,
atominio laikrodžio tiksėjimas palaikomas
judėjimo tarp dviejų atomo energijos lygių.
Štai kur pasirodo kvantinė fizika.
Kvantinė mechanika teigia, kad atomai laiko energiją,
bet jie negali jos turėti kiek panorėję.
Atominė energija gali būti tik keleto preciziškai nustatytų lygių.
Mes juos vadiname kvantais.
Palyginimui, galvokite kaip įvažiuojate į greitkelį.
Didintumėte greitį nuo,
sakykime, 30 km/h iki 110 km/h.
O jeigu turėtumėte kvantinę atomų mašiną,
nedidintumėte greičio nuosekliai.
Vietoj to, staigiai peršoktumėte iš vieno greičio į kitą.
Atomui keičiantis iš vieno energijos lygio į kitą,
kvantinė mechanika teigia,
kad energijos skirtumas lygus
dažnio sandaugai su pastoviu dydžiu,
o energijos pakitimas lygus skaičiui, vadinamam Planko konstanta,
jį padauginus iš dažnio.
Tas dažnis ir yra tai ko mums reikia atominiam laikrodžiui.
GPS palydovai naudoja cezio ir rubidžio atomus kaip dažnio standartus.
Cezio 133 atveju,
charakteristinis laikrodžio dažnis yra 9 192 631 770 hercų.
Tai 9 milijardai apsisukimų per sekundę.
Tai tikrai greitas laikrodis.
Nesvarbu koks įgudęs bebūtų laikrodininkas,
kiekviena švytuoklė, apsisukimų mechanizmas
ir kvarco kristalas rezonuoja šiek tiek skirtingu dažniu.
Kaip bebūtų, kiekvienas cezio 133 atomas visatoje
virpa tokiu pačiu dažniu.
Taigi, atomonio laikrodžio dėka,
laiką nustatome 1 milijardosios sekundės tikslumu
ir atstumą nuo palydovo nustatome labai tiksliai.
Ignoruokim faktą, kad tikriausiai esate žemėje.
Mes žinome, kad esate nustatytu atstumu nuo palydovo.
Kitaip tariant, esate kažkur ant sferos paviršiaus,
kuris gaubia palydovą.
Pamatuokite atstumą nuo savęs iki kito palydovo
ir gausite dar vietą sutampančią sferą.
Darykite tai toliau
ir jau po keturių pamatavimų
ir nedidelės korekcijos pagal Einšteino reliatyvumo teoriją,
galėsite tiksliai nustatyti savo lokaciją erdvėje.
Taigi štai ko reikia:
multi-milijardinės vertės palydovų tinklų,
virpančių cezio atomų,
kvantinės mechanikos,
reliatyvumo,
išmaniojo telefono
ir tavęs.
Tai tiek.