Skąd smartfon wie, gdzie jesteś? – Wilton L. Virgo

Cała lekcja: http://ed.ted.com/lessons/how-does-your-smartphone-know-your-location-wilton-l-virgo

Aplikacje GPS używane w smartfonach mogą być przydatne podczas podróży albo w znalezieniu imprez w pobliżu. Ale skąd smarfon wie, gdzie jesteś? Wilton L. Virgo wyjaśnia, że odpowiedź znajduje się 20 000 kilometrów nad nami, w orbitującym satelicie, wyposażonym w zegar atomowy napędzany mechaniką kwantową.

Lekcja: Wilton L. Virgo, animacja: Nick Hilditch.

Skąd smartfon wie dokładnie,
gdzie się znajdujesz?

Odpowiedź na to pytanie
jest 20 000 km nad nami,

w satelicie okołoziemskim,
mierzącym czas według zegara atomowego

napędzanego przez mechanikę kwantową.

Uf.

Jeszcze raz, po kolei.

Po pierwsze, czemu trzeba znać
dokładny czas na satelicie,

skoro pytamy o miejsce?

Pierwszą rzeczą, jaką określa telefon,

jest odległość od satelity.

Satelity nieustannie emitują
sygnały radiowe.

Sygnały lecą do telefonu
z prędkością światła.

Telefon notuje otrzymanie sygnału

i przelicza na odległość do satelity

według wzoru: odległość = c x czas,

gdzie c to prędkość światła,
a czas to długość podróży sygnału.

Nie jest to takie proste.

Światło jest niezwykle szybkie.

Gdyby mierzyć czas
tylko z dokładnością do sekundy,

z każdego miejsca na Ziemi, a nawet dalej,

odległość do satelity wyda się taka sama.

Żeby obliczyć odległość
z precyzją do kilkudziesięciu metrów,

potrzebujemy najlepszego zegara.

Najlepsze są zegary atomowe.
Niektóre są tak precyzyjne,

że nie zyskują ani nie tracą ani sekundy,

choćby pracowały
przez następne 300 milionów lat.

Zegary atomowe opierają się
na fizyce kwantowej.

Wszystkie zegary pracują
ze stałą częstotliwością,

czyli muszą powtarzać tę samą czynność,

żeby zaznaczyć jednakowy przyrost czasu.

Tak, jak działanie zegara stojącego
polega na nieustannym ruchu

wahadła pod wpływem grawitacji,

tik-tak zegara atomowego

polega na zmianie poziomu
energii w atomie.

Tutaj wchodzi fizyka kwantowa.

Fizyka kwantowa mówi,
że atomy przenoszą energię.

Nie dowolną ilość energii,
tylko określoną jej porcję.

Energia atomowa ogranicza się więc ściśle
do konkretnego poziomu.

Ilość energii poziomu nazywa się kwantem.

Analogicznie, samochód na autostradzie,

gdy zaczyna przyspieszać,

płynnie przechodzi z 30 do 110 km/h.

Samochód poruszany kwantami atomowymi

nie przyspieszałby w ten sposób.

Natychmiast przeskoczyłby
z jednej prędkości do następnej.

Kiedy atom zmienia poziom energii,

mechanika kwantowa mówi,

że różnica w energii równa jest
charakterystycznej częstotliwości,

pomnożonej przez stałą,

gdzie zmiana energii równa się
ilorazowi liczby zwanej stałą Plancka

i częstotliwości.

Ta częstotliwość jest potrzebna
do ustawienia naszego zegara.

Satelity GPS
używają atomów cezu i rubidu

jako wyznaczników częstotliwości.

W przypadku cezu 133

częstotliwość zegara wynosi
9 192 631 770 Hz.

Czyli 9 miliardów cykli na sekundę.

Naprawdę szybki zegar.

Niezależnie od talentu zegarmistrza,

każde wahadło, mechanizm nakręcany

czy rezonans kwarcowy, będzie pracować
z inną częstotliwością.

Każdy atom cezu 133 we wszechświecie

oscyluje z identyczną częstotliwością.

Dzięki zegarom atomowym

czas odczytywany jest z dokładnością
do 1 miliardowej sekundy,

co daje precyzyjny pomiar
odległości do satelity.

Pomińmy fakt, że prawie
na pewno jesteś na Ziemi.

Wiadomo, że jesteś
w określonej odległości od satelity.

Innymi słowy, jesteś gdzieś
na powierzchni kuli

tworzonej przez zasięg promienia satelity.

Dodając drugi pomiar z innego satelity,

otrzymamy nakładające się kręgi.

Powtarzając pomiary,

przy czwartym wyniku

i małej poprawce
według teorii względności Einsteina

można dokładnie określić
swoją pozycję w przestrzeni.

I tak to działa:

wielomiliardowa sieć satelitów,

oscylujące atomy cezu,

mechanika kwantowa,

względność,

smartfon

i ty.

Nie ma problemu.