Como é que um Smartphone sabe a nossa localização? — Wilton L. Virgo

Vejam a lição completa: http://ed.ted.com/lessons/how-does-your-smartphone-know-your-location-wilton-l-virgo

A aplicação de localização GPS num Smartphone pode dar muito jeito quando fazemos uma viagem pela estrada ou queremos encontrar eventos próximos. Mas como é que o nosso Smartphone sabe onde é que nós estamos? Wilton L. Virgo explica como a resposta se situa a 19 000 km de altura, num satélite em órbita que regista o tempo segundo um relógio atómico alimentado pela mecânica quântica.

Lição de Wilton L. Virgo, animação de Nick Hilditch

Como é que o nosso Smartphone
sabe exatamente onde estamos?

A resposta está a 19 000 km de altura

num satélite que regula as
horas por um relógio atómico

impulsionado pela mecânica quântica

Ufa!

Vejamos por partes.

Primeiro, porque é tão importante
saber que horas são num satélite,

quando aquilo que nos preocupa
é a localização?

A primeira coisa que o nosso telefone
precisa de determinar

é a que distância
ele se encontra de um satélite.

Cada satélite emite
permanentemente sinais de rádio

que viajam do espaço
para o nosso telefone, à velocidade da luz.

O nosso telefone regista
o tempo de chegada do sinal

e usa-o para calcular
a distância até ao satélite

usando uma fórmula simples:
distância = c x tempo

em que c é a velocidade da luz
e o tempo a duração da viagem do sinal.

Mas há um problema.

A luz é incrivelmente rápida.

Se só pudéssemos calcular
a hora até ao segundo,

todos os locais na Terra,
e para além dela,

pareceriam estar
à mesma distância do satélite.

Portanto, para calcular essa distância
num raio de poucos metros,

precisamos do melhor relógio
jamais inventado.

Entram aqui os relógios atómicos,
alguns dos quais são tão precisos

que não se adiantam nem atrasam um segundo

mesmo que estejam a trabalhar
durante os próximos 300 milhões de anos.

Os relógios atómicos funcionam
com base na física quântica.

Todos os relógios têm que ter
uma frequência constante.

Por outras palavras, um relógio
tem que ter uma ação repetitiva

para distinguir incrementos
equivalentes de tempo.

Tal como o relógio de caixa alta
depende do balançar constante

de um lado para o outro,
de um pêndulo sob a força da gravidade,

o tique-taque de um relógio atómico

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

É aqui que entra em ação
a física quântica.

A mecânica quântica
diz que os átomos contêm energia,

mas não podem conter
qualquer quantidade arbitrária.

A energia atómica está forçada
a um conjunto preciso de níveis.

Chamamos-lhe "quanta".

Numa analogia simples, pensem em guiar
um carro numa autoestrada.

Quando aumentamos a velocidade

passamos gradualmente, por exemplo,
de 30km/hora para 100 km/hora.

Mas, se tivermos um carro atómico quantum,

não aceleraremos de modo linear.

Saltamos instantaneamente
de uma velocidade para a outra.

A mecânica quântica diz que,
num átomo,

quando ocorre uma transição
de um nível de energia para outro,

a diferença de energia
é igual a uma frequência característica,

multiplicada por uma constante,

em que a mudança de energia é igual
a um número, chamado constante de Planck,

o tempo vezes a frequência.

É desta frequência característica
que precisamos para fazer o nosso relógio.

Os satélites GPS dependem dos átomos
de césio e rubídio

como padrões de frequência.

No caso do césio 133,

a frequência característica do relógio

é de nove mil milhões,
cento e noventa e dois milhões,

seiscentos e trinta e um mil,
setecentos e setenta Hz.

Ou seja 9000 milhões
de ciclos por segundo.

É um relógio realmente rápido.

Por mais habilidoso
que seja um relojoeiro,

cada mecanismo de pêndulo, de corda,
de cristal de quartzo

funciona a uma frequência
ligeiramente diferente.

Mas todos os átomos de césio 133
do universo

oscilam à mesma frequência,
exatamente.

Portanto, graças ao relógio atómico,

temos uma leitura rigorosa do tempo
até a um mil-milionésimo de segundo

e uma medição muito precisa
da distância a esse satélite.

Ignoremos o facto de que estamos,
com certeza, na Terra.

Sabemos agora que estamos
a uma distância fixa do satélite.

Por outras palavras, estamos algures
na superfície duma esfera

centrada em volta do satélite.

Medimos a nossa distância
em relação a um segundo satélite

e obtemos outra esfera sobreposta.

Continuemos a fazer isso,
e apenas com quatro medições

e uma pequena correção, usando
a teoria da relatividade de Einstein,

podemos assinalar a nossa localização
exatamente num ponto no espaço.

Portanto, basta termos:

uma rede de satélites de muitos
milhares de milhões de dólares,

átomos de césio a oscilar,

mecânica quântica,

relatividade,

um Smartphone

e nós.

É simples.