Return to Video

Откуда смартфон знает ваше местоположение? — Уилтон Л. Вирго

  • 0:07 - 0:10
    Как смартфон узнаёт
    ваше точное местоположение?
  • 0:10 - 0:14
    Ответ кроется на высоте 19 300 км
    над вашей головой
  • 0:14 - 0:18
    в орбитальном спутнике, который сверяет
    время по атомным часам,
  • 0:18 - 0:21
    идущим по законам квантовой механики.
  • 0:21 - 0:22
    Фух.
  • 0:22 - 0:24
    Давайте разберёмся.
  • 0:24 - 0:29
    Но почему же так важно знать,
    сколько времени на спутнике,
  • 0:29 - 0:32
    когда нас интересует местоположение?
  • 0:32 - 0:34
    Первое, что должен определить телефон, —
  • 0:34 - 0:38
    это расстояние до спутника.
  • 0:38 - 0:41
    Каждый спутник постоянно
    передаёт радиосигналы,
  • 0:41 - 0:46
    поступающие из космоса в телефон
    со скоростью света.
  • 0:46 - 0:49
    Телефон фиксирует время
    принятия сигнала
  • 0:49 - 0:52
    и использует его для расчёта
    расстояния до спутника
  • 0:52 - 0:58
    c помощью простой формулы:
    Расстояние = С х Время,
  • 0:58 - 1:03
    где С — скорость света,
    а время — это время, пройденное сигналом.
  • 1:03 - 1:04
    Но вот в чём проблема —
  • 1:04 - 1:06
    скорость света невероятно велика.
  • 1:06 - 1:10
    Если можно было бы рассчитывать время
    с точностью только до секунды,
  • 1:10 - 1:13
    то каждая точка на Земле и за её пределами
  • 1:13 - 1:16
    казалась бы на одинаковом расстоянии
    от спутника.
  • 1:16 - 1:20
    Так, для того, чтобы рассчитать расстояние
    в пределах нескольких метров,
  • 1:20 - 1:24
    потребуются самые точные часы в мире.
  • 1:24 - 1:28
    Некоторые атомные часы
    настолько точны,
  • 1:28 - 1:31
    что они не отстанут и не будут спешить
    ни на одну секунду,
  • 1:31 - 1:36
    даже если они будут идти
    в течение следующих 300 миллионов лет.
  • 1:36 - 1:39
    Атомные часы работают
    по законам квантовой физики.
  • 1:39 - 1:42
    У всех часов есть постоянная частота.
  • 1:42 - 1:45
    Другими словами, часы должны выполнять
    повторяющееся действие,
  • 1:45 - 1:49
    чтобы отмерять равные приращения времени.
  • 1:49 - 1:53
    Так же как и старинные часы полагались
    на движение маятника
  • 1:53 - 1:56
    под действием силы гравитации,
  • 1:56 - 1:58
    работа атомных часов
  • 1:58 - 2:03
    осуществляется за счёт перехода между
    двумя энергетическими уровнями атома.
  • 2:03 - 2:06
    Тут-то и потребуется квантовая физика.
  • 2:06 - 2:09
    В квантовой механике
    атомы обладают энергией,
  • 2:09 - 2:13
    но они не могу поглощать
    её случайное количество.
  • 2:13 - 2:18
    Атомная энергия ограничена
    определёнными уровнями.
  • 2:18 - 2:20
    Это называется квантом.
  • 2:20 - 2:24
    Простая аналогия:
    автомобиль двигается по шоссе.
  • 2:24 - 2:26
    C увеличением скорости
  • 2:26 - 2:32
    машина постепенно разгоняется, скажем,
    с 30 км/ч до 110 км/ч.
  • 2:32 - 2:35
    Если бы это была квантовая атомная машина,
  • 2:35 - 2:38
    то она бы не разгонялась по прямой.
  • 2:38 - 2:44
    Вместо этого она бы двигалась скачками
    с одной скорости на следующую.
  • 2:44 - 2:49
    При переходе атома
    с одного энергетического уровня на другой
  • 2:49 - 2:50
    в квантовой механике
  • 2:50 - 2:55
    разница энергий перехода
    равна частоте,
  • 2:55 - 2:57
    умноженной на постоянную,
  • 2:57 - 3:03
    где изменения энергии равны числу,
    названному постоянной Планка,
  • 3:03 - 3:05
    помноженному на частоту.
  • 3:05 - 3:10
    Как раз эта частота
    нужна для создания часов.
  • 3:10 - 3:16
    Стандартами частоты в GPS-спутниках
    являются цезий и рубидий.
  • 3:16 - 3:19
    Так, частота цезия-133
  • 3:19 - 3:29
    составляет 9 192 631 770 герц,
  • 3:29 - 3:32
    а это 9 миллиардов циклов в секунду.
  • 3:32 - 3:34
    Действительно быстрые часы.
  • 3:34 - 3:36
    Неважно, насколько искусен часовщик,
  • 3:36 - 3:38
    каждый маятниковый, заводной
  • 3:38 - 3:43
    и кварцевый механизмы резонируют
    на немного различной частоте.
  • 3:43 - 3:47
    Однако каждый атом цезия-133
    во вселенной
  • 3:47 - 3:51
    колеблется с одинаковой частотой.
  • 3:51 - 3:53
    Так, благодаря атомным часам,
  • 3:53 - 3:57
    мы можем узнать время
    с точностью до 1 миллиардной секунды
  • 3:57 - 4:02
    и получить очень точные измерения
    расстояния от спутника.
  • 4:02 - 4:07
    Забудем пока тот факт,
    что вы, скорее всего, находитесь на Земле.
  • 4:07 - 4:10
    Известно, что вы находитесь
    на определённом расстоянии от спутника.
  • 4:10 - 4:13
    Другими словами, вы на поверхности сферы,
  • 4:13 - 4:16
    центром которой является спутник.
  • 4:16 - 4:18
    При измерении расстояния
    с другого спутника
  • 4:18 - 4:21
    получается другая, частично наложенная
    на первую сферу.
  • 4:21 - 4:22
    Продолжим,
  • 4:22 - 4:24
    и всего лишь после четырёх измерений
  • 4:24 - 4:27
    и небольших исправлений
    по теории относительности Эйнштейна,
  • 4:27 - 4:34
    ваше местоположение можно определить
    с точностью до одной точки в пространстве.
  • 4:34 - 4:35
    Для этого всего лишь требуется
  • 4:35 - 4:38
    сеть спутников, стоимость в несколько
    миллиардов долларов,
  • 4:38 - 4:40
    осциллирующие атомы цезия,
  • 4:40 - 4:41
    квантовая механика,
  • 4:41 - 4:42
    теория относительности,
  • 4:42 - 4:43
    смартфон
  • 4:43 - 4:46
    и вы.
  • 4:46 - 4:47
    Всего-то.
Title:
Откуда смартфон знает ваше местоположение? — Уилтон Л. Вирго
Speaker:
Wilton L. Virgo
Description:

Полная версия урока: http://ed.ted.com/lessons/how-does-your-smartphone-know-your-location-wilton-l-virgo

Навигационные приложения для смартфонов могут быть очень полезны при прокладке маршрута путешествия или поиска мест поблизости. Уилтон Л. Вирго объясняет, как ответ кроется на высоте 19 300 км над нашей головой в орбитальном спутнике, который сверяет время по атомным часам, идущим по законам квантовой механики.

Урок — Уилтон Л. Вирго, анимация — Ник Хилдич.
more » « less
Video Language:
English
Team:
closed TED
Project:
TED-Ed
Duration:
05:04

Russian subtitles

Revisions

Our website uses cookies for analysis purposes.