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.