Como é que o nosso Smartphone sabe exatamente onde estamos?
A resposta está a 19 000 km de altura
num satélite que regula as horas por um relógio atómico
impulsionado pela mecânica quântica
Ufa!
Vejamos por partes.
Primeiro, porque é tão importante saber que horas são num satélite,
quando aquilo que nos preocupa é a localização?
A primeira coisa que o nosso telefone precisa de determinar
é a que distância ele se encontra de um satélite.
Cada satélite emite permanentemente sinais de rádio
que viajam do espaço para o nosso telefone, à velocidade da luz.
O nosso telefone regista o tempo de chegada do sinal
e usa-o para calcular a distância até ao satélite
usando uma fórmula simples: distância = c x tempo
em que c é a velocidade da luz e o tempo a duração da viagem do sinal.
Mas há um problema.
A luz é incrivelmente rápida.
Se só pudéssemos calcular a hora até ao segundo,
todos os locais na Terra, e para além dela,
pareceriam estar à mesma distância do satélite.
Portanto, para calcular essa distância num raio de poucos metros,
precisamos do melhor relógio jamais inventado.
Entram aqui os relógios atómicos, alguns dos quais são tão precisos
que não se adiantam nem atrasam um segundo
mesmo que estejam a trabalhar durante os próximos 300 milhões de anos.
Os relógios atómicos funcionam com base na física quântica.
Todos os relógios têm que ter uma frequência constante.
Por outras palavras, um relógio tem que ter uma ação repetitiva
para distinguir incrementos equivalentes de tempo.
Tal como o relógio de caixa alta depende do balançar constante
de um lado para o outro, de um pêndulo sob a força da gravidade,
o tique-taque de um relógio atómico
é mantido pela transição entre dois níveis de energia de um átomo.
É aqui que entra em ação a física quântica.
A mecânica quântica diz que os átomos contêm energia,
mas não podem conter qualquer quantidade arbitrária.
A energia atómica está forçada a um conjunto preciso de níveis.
Chamamos-lhe "quanta".
Numa analogia simples, pensem em guiar um carro numa autoestrada.
Quando aumentamos a velocidade
passamos gradualmente, por exemplo, de 30km/hora para 100 km/hora.
Mas, se tivermos um carro atómico quantum,
não aceleraremos de modo linear.
Saltamos instantaneamente de uma velocidade para a outra.
A mecânica quântica diz que, num átomo,
quando ocorre uma transição de um nível de energia para outro,
a diferença de energia é igual a uma frequência característica,
multiplicada por uma constante,
em que a mudança de energia é igual a um número, chamado constante de Planck,
o tempo vezes a frequência.
É desta frequência característica que precisamos para fazer o nosso relógio.
Os satélites GPS dependem dos átomos de césio e rubídio
como padrões de frequência.
No caso do césio 133,
a frequência característica do relógio
é de nove mil milhões, cento e noventa e dois milhões,
seiscentos e trinta e um mil, setecentos e setenta Hz.
Ou seja 9000 milhões de ciclos por segundo.
É um relógio realmente rápido.
Por mais habilidoso que seja um relojoeiro,
cada mecanismo de pêndulo, de corda, de cristal de quartzo
funciona a uma frequência ligeiramente diferente.
Mas todos os átomos de césio 133 do universo
oscilam à mesma frequência, exatamente.
Portanto, graças ao relógio atómico,
temos uma leitura rigorosa do tempo até a um mil-milionésimo de segundo
e uma medição muito precisa da distância a esse satélite.
Ignoremos o facto de que estamos, com certeza, na Terra.
Sabemos agora que estamos a uma distância fixa do satélite.
Por outras palavras, estamos algures na superfície duma esfera
centrada em volta do satélite.
Medimos a nossa distância em relação a um segundo satélite
e obtemos outra esfera sobreposta.
Continuemos a fazer isso, e apenas com quatro medições
e uma pequena correção, usando a teoria da relatividade de Einstein,
podemos assinalar a nossa localização exatamente num ponto no espaço.
Portanto, basta termos:
uma rede de satélites de muitos milhares de milhões de dólares,
átomos de césio a oscilar,
mecânica quântica,
relatividade,
um Smartphone
e nós.
É simples.