De unde știe mobilul tău exact unde ești?
Răspunsul este la peste 19.000 kilometri
deasupra ta,
într-un satelit ce măsoară timpul
cu ajutorul unui ceas atomic
alimentat de mecanica cuantică.
Pfu!
Să le luăm pe rând.
În primul rând, de ce e atât de important
să știm ce oră este pe un satelit
când pe noi ne interesează locația?
Primul lucru determinat de telefonul tău
este stabilirea distanței față de satelit.
Fiecare satelit emite constant
semnale radio
care ajung din spațiu la telefonul tău
cu viteza luminii.
Telefonul tău înregistrează timpul
de sosire a semnalului
și îl folosește să calculeze
distanța până la satelit,
folosind simpla formulă,
distanță = v x timp,
unde v este viteza luminii
și timpul arată cât a călătorit semnalul.
Dar este o problemă.
Lumina este extrem de rapidă.
Dacă am calcula timpul doar în secunde,
fiecare locație de pe Pământ,
chiar și mult mai departe,
ar părea să aibă aceeași distanță
de la satelit.
Deci, pentru a putea calcula acea distanță
cu o eroare de câțiva metri
avem nevoie de cel mai bun ceas
inventat vreodată.
Vorbim, așadar, despre ceasurile atomice,
unele fiind atât de precise
încât nu pierd sau câștigă
nici măcar o secundă
chiar dacă ar fi să funcționeze
pentru următorii 300 de milioane de ani.
Ceasurile atomice funcționează
datorită fizicii cuantice.
Toate ceasurile trebuie să aibă
o frecvență constantă.
Altfel spus, un ceas trebuie să efectueze
niște acțiuni repetitive
ca să delimiteze
creșteri echivalente ale timpului.
Așa cum un ceas cu pendul
se bazează pe o oscilare continuă
înainte și înapoi a unui pendul
sub gravitație,
tic-tacul unui ceas atomic
este întreținut de tranziția dintre
două niveluri de energie ale unui atom.
Aici intră în scenă fizica cuantică.
Mecanica cuantică susține
că atomii poartă energie,
dar ei nu pot prelua
orice cantitate arbitrară.
În schimb, energia atomică este limitată
la un set precis de niveluri.
Pe acestea le numim quanta.
O analogie simplă ar fi conducerea
unei mașini pe o autostradă.
Pe măsură ce accelerezi,
în mod normal ai merge, să zicem,
de la 32 km/oră până la 112 km/oră.
Dar dacă ai avea
o mașină cuantică atomică,
nu ai accelera în mod liniar.
În schimb ai sări instantaneu
sau ai trece de la o viteză la alta.
Pentru un atom, când o tranziție
apare de la un nivel de energie la altul,
mecanica cuantică spune
că diferența de energie este egală
cu o frecvență caracteristică
înmulțită cu o constantă,
unde schimbarea în energie este egală
cu un număr numit constanta lui Planck
înmulțită cu frecvența.
Frecvența caracteristică e cea
de care avem nevoie pentru ceasul nostru.
Sateliții GPS se bazează pe atomii cesiu
și rubidiu ca standarde de frecvență.
În cazul cesiului 133,
frecvența caracteristică a ceasului
este 9,192,631,770 Hz.
Asta ar fi 9 miliarde de cicluri
pe secundă.
Ăsta da ceas rapid.
Oricât de priceput ar fi un ceasornicar,
fiecare pendul, mecanism de întoarcere
și cristalul quartz rezonează
la o frecvență puțin diferită.
Totuși, fiecare atom de cesiu 133
din univers
oscilează la aceeași frecvență.
Așadar, mulțumită ceasului atomic,
avem o precizie de citire a timpului
de până la o miliardime de secundă
și o măsurare foarte precisă
a distanței de la acel satelit.
Hai să ignorăm faptul că ești aproape
cu siguranță pe Pământ.
Acum știm că ești la o distanță fixă
față de satelit.
Cu alte cuvinte ești undeva
pe suprafața unei sfere
situate undeva în jurul satelitului.
Măsoară-ți distanța
de la un al doilea satelit
și vei obține o altă sferă suprapusă.
Continuă să faci asta
și cu doar patru măsurători
și o mică corectare folosind teoria
relativității a lui Einstein,
poți stabili locația ta exactă
la un punct în spațiu.
Deci asta e tot ce ai nevoie:
o rețea de sateliți de miliarde de dolari,
atomi de cesiu oscilanți,
mecanică cuantică,
relativitate,
un smartphone
și tu.
Nicio problemă.