Bagaimana smartphone Anda tahu lokasi Anda? - Wilton L. Virgo

Lihat pelajaran lengkap: http://ed.ted.com/lessons/how-does-your-smartphone-know-your-location-wilton-l-virgo

Aplikasi lokasi GPS pada smartphone bisa sangat berguna ketika memetakan rute perjalanan atau menemukan peristiwa di dekatnya. Tapi bagaimana smartphone Anda tahu di mana Anda berada? Wilton L. Virgo menjelaskan bagaimana jawabannya terletak 12.000 mil di atas kepala Anda, di satelit berorbit yang menyimpan waktu dengan ketukan jam atom yang didukung oleh mekanika kuantum.

Pelajaran oleh Wilton L. Virgo, animasi oleh Nick Hilditch.

Bagaimana smartphone Anda tahu persis
di mana Anda berada?

Jawabannya berada 12.000 mil
di atas kepala Anda

pada satelit yang menyimpan waktu
dengan ketukan suatu jam atom

yang digerakan oleh mekanika kuantum.

Phew.

Mari kita rinci satu per satu.

Pertama-tama, mengapa begitu penting
untuk mengetahui waktu pada satelit

padahal yang ingin kita
ketahui adalah lokasi?

Hal pertama yang telepon Anda
perlu menentukan

adalah berapa jauh jaraknya dari satelit.

Setiap satelit terus menerus
menyiarkan sinyal radio

yang merambat dari luar angkasa
ke telepon dengan kecepatan cahaya.

Telepon Anda mencatat waktu tiba sinyal

dan menggunakannya untuk
menghitung jarak ke satelit

menggunakan rumus sederhana,
jarak = c x waktu,

dimana c adalah kecepatan cahaya dan
waktu adalah berapa lama sinyal merambat.

Namun ada sebuah masalah.

Cahaya luar biasa cepat.

Jika kita hanya dapat menghitung waktu
sampai ke detik terdekat,

setiap lokasi di Bumi,
dan jauh melampaui,

akan memiliki jarak yang sama
dari satelit.

Jadi, untuk menghitung jarak
sampai dengan beberapa lusin kaki,

kita membutuhkan jam terbaik
yang pernah diciptakan.

Jam atom, beberapa di antaranya
sangat tepat sehingga mereka

tidak akan kelebihan atau
kekurangan sedetik pun

meskipun mereka bekerja
sampai 300 juta tahun ke depan.

Jam atom bekerja
karena adanya fisika kuantum.

Semua jam harus memiliki
frekuensi yang tetap.

Dengan kata lain, jam harus melakukan
beberapa tindakan berulang

untuk menandai setiap kenaikan waktu.

Sama seperti grandfather clock
bergantung pada pendulum

yang berayun karena gravitasi,

detak dari jam atom

didapatkan dari transisi antara
dua tingkat energi sebuah atom.

Di sinilah fisika kuantum mulai berperan.

Mekanika kuantum mengatakan
bahwa atom membawa energi,

tetapi mereka tidak dapat membawa
sembarang jumlah.

Melainkan, energi atom dibatasi kepada
satu set tingkatan yang saksama.

Ini disebut kuanta.

Sebagai analogi sederhana, pikirkan
tentang mengendarai mobil di jalan tol.

Ketika menambah kecepatan,

umumnya bergerak secara kontinu dari,
katakanlah, 20 mil/jam sampai 70 mil/jam.

Namun, jika Anda memiliki
mobil atom kuantum,

Anda tidak berakselerasi secara linear.

Tapi, Anda akan lompat, atau beralih, dari
satu kecepatan ke kecepatan berikutnya.

Untuk sebuah atom, ketika transisi terjadi
dari satu tingkat energi ke lainnya,

mekanika kuantum mengatakan

bahwa perbedaan energi
sama dengan karakteristik frekuensi,

dikalikan dengan sebuah konstanta,

dimana perubahan energi sama dengan
sebuah angka, disebut konstanta Planck,

kali frekuensi.

Karakteristik frekuensi tersebut yang
dibutuhkan untuk membuat jam.

Satelit GPS mengandalkan atom cesium
dan rubidium sebagai standar frekuensi.

Dalam kasus cesium 133,

karakteristik frekuensi jam adalah
9,192,631,770 Hz.

Itu adalah 9 miliar siklus per detik.

Itu jam yang sangat cepat.

Tidak peduli seberapa terampil
pembuat jam,

setiap pendulum, mekanisme wind-up

dan kristal kuarsa beresonansi pada
frekuensi yang sedikit berbeda.

Tetapi, setiap atom cesium 133
di alam semesta

berosilasi pada frekuensi yang tepat sama.

Jadi berkat jam atom,

kita bisa membaca jam secara akurat
sampai kepada satu per 1 miliar detik,

dan menghitung jarak dari dari satelit
dengan sangat teliti.

Abaikan fakta bahwa Anda hampir pasti
berada di Bumi.

Dapat dipastikan bahwa Anda berada
di suatu jarak yang tetap dari satelit.

Dengan kata lain, Anda berada di suatu
tempat di permukaan bola

yang berpusat pada satelit.

Ukur jarak dari satelit kedua

maka Anda akan mendapatkan bola lainnya.

Lakukan terus menerus,

dan hanya dengan empat pengukuran,

dan sedikit koreksi menggunakan
teori relativitas Einstein,

Anda dapat menentukan lokasi Anda
tepat satu titik.

Jadi yang dibutuhkan hanyalah:

jaringan satelit bernilai miliaran dolar,

atom cesium yang berosilasi,

mekanika kuantum,

relativitas,

smartphone,

dan Anda.

Bukan masalah.