Como seu smartphone sabe exatamente onde você está? - Wilton L. Virgo

Assista à aula completa: http://ed.ted.com/lessons/how-does-your-smartphone-know-your-location-wilton-l-virgo

Os aplicativos de localização por GPS são muito úteis para mapear o roteiro de uma viagem ou descobrir eventos nas proximidades. Mas como o smartphone sabe onde você está? Wilton L. Virgo explica como a resposta se encontra a 19 mil km de altura em um satélite que marca o tempo usando um relógio atômico baseado na mecânica quântica.

Aula de Wilton L. Virgo, animação de Nick Hilditch.

Como seu smartphone sabe
exatamente onde você está?

A resposta está a 19 mil km de altura

em um satélite que marca o tempo
usando um relógio atômico

baseado na mecânica quântica.

Ufa!

Vamos por partes.

Primeiramente, por que é tão importante
saber que horas são em um satélite

se estamos interessados na localização?

Primeiro, seu telefone precisa determinar

a distância entre ele e o satélite.

Cada satélite emite
constantemente sinais de rádio

que viajam pelo espaço até
seu telefone na velocidade da luz.

Seu telefone registra
a hora de chegada do sinal

e a utiliza para calcular
a distância até o satélite

usando uma fórmula simples:
distância = c x tempo,

onde "c" é a velocidade da luz e "tempo" é
o tempo de viagem do sinal.

Mas há um problema.

A luz é extremamente rápida.

Se só conseguíssemos calcular o tempo
com precisão de segundos,

todos os lugares na Terra, e muito além,

pareceriam estar à mesma
distância do satélite.

Então, para calcular uma diferença de
apenas alguns metros de distância,

precisamos do melhor relógio já inventado.

Apresentamos os relógios atômicos.
Alguns deles são tão precisos

que não ficariam atrasados
nem adiantados nenhum segundo

mesmo que funcionassem pelos
próximos 300 milhões de anos.

Os relógios atômicos funcionam
graças à física quântica.

Todos os relógios precisam
de uma frequência constante.

Ou seja, eles devem realizar
uma ação repetitiva

para marcar incrementos
equivalentes de tempo.

Da mesma forma que um relógio antigo
depende da constante oscilação

do pêndulo sob ação da gravidade,

o tique-taque do relógio atômico

é mantido pela transição entre dois
níveis de energia de um átomo.

É aí que entra a física quântica.

Segundo a mecânica quântica,
os átomos contêm energia

mas eles não podem armazenar
uma quantidade aleatória.

Em vez disso, a energia atômica limita-se
a um conjunto definido de níveis.

Chamamos isso de quanta.

Como analogia, imagine que você está
dirigindo um carro em uma estrada.

À medida que você acelera,

a velocidade vai gradativamente
de 20 km/h a 70 km/h, por exemplo.

Agora, se você tivesse
um carro atômico quântico,

a aceleração não seria linear.

Em vez disso, a transição
entre as velocidades seria instantânea.

Em um átomo, quando ocorre a transição
de um nível de energia para outro,

a mecânica quântica afirma

que a diferença entre as energia
é igual a uma frequência característica,

multiplicada por uma constante,

onde a variação de energia é igual a
um número chamado constante de Planck,

vezes a frequência.

Essa frequência característica
é o que precisamos para criar o relógio.

Os satélites de GPS usam átomos de césio
e de rubídio como padrões de frequência.

No caso do césio 133,

a frequência característica do relógio é
9.192.631.770 Hz.

Ou seja, 9 bilhões de ciclos por segundo.

É um relógio extremamente rápido.

Não importa a habilidade do relojoeiro,

cada pêndulo, mecanismo de corda

e cristal de quartzo gera
frequências ligeiramente distintas.

No entanto, todos os
átomos de césio 133 do universo

oscilam exatamente na mesma frequência.

Então, graças ao relógio atômico,

conseguimos medir o tempo com precisão
de bilionésimos de segundos,

e obtemos uma medição bastante precisa
da distância em relação ao satélite.

Vamos ignorar o fato de que,
com certeza, você está na Terra.

Já sabemos que você está
a uma distância fixa do satélite.

Ou seja, você está em algum lugar
na superfície de uma esfera

em cujo centro está o satélite.

Calcule sua distância
em relação a outro satélite

e você obterá outra esfera sobreposta.

Siga fazendo isso,

e com apenas quatro medições

e pequenas correções baseadas na
teoria da relatividade de Einstein,

é possível determinar sua localização
com absoluta precisão.

Sendo assim, só precisamos de:

uma rede de satélites
de bilhões de dólares,

átomos de césio oscilantes,

mecânica quântica,

relatividade,

um smartphone,

e você.

Bem simples.