Làm thế nào smartphone biết được vị trí của bạn? - Wilton L. Virgo

Xem toàn bộ bài giảng: http://ed.ted.com/lessons/how-does-your-smartphone-know-your-location-wilton-l-virgo

Ứng dụng định vị GPS trên điện thoại thông minh trở nên rất tiện lợi trong việc tìm kiếm đường đi hay tìm những sự kiện đang diễn ra gần bạn. Vậy làm thế nào điện thoại thông minh biết được bạn đang ở đâu? Wilton L. Virgo đã giải thích câu trả lời ở 12,000 dặm phía trên bạn, ở một vệ tinh quay quanh quỹ đạo có thể giữ cho thời gian đúng theo nhịp của một chiếc đồng hồ nguyên tử vận hành theo cơ học lượng tử.

Bài giảng thực hiện bởi Wilton L. Virgo, trình bày minh họa bởi Nick Hilditch

Làm thế nào smartphone
biết được chính xác bạn đang ở đâu?

Câu trả lời nằm ở 12,000 dặm
phía trên đầu bạn

ở 1 vệ tinh quay quanh quỹ đạo

mà có thể giữ thời gian

theo nhịp của đồng hồ nguyên tử

vận hành theo nguyên lý cơ học lượng tử.

Phew.

Hãy cũng tìm hiểu kỹ hơn.

Đầu tiên, tại sao việc xác định thời gian
trên một chiếc vệ tinh lại quan trọng

khi điều chúng ta cần quan tâm đến
là địa điểm?

Đầu tiên, điện thoại của bạn cần xác định

là nó đang cách vệ tinh bao xa.

Mỗi vệ tinh liên tục và đều đặn
phát ra tín hiệu vô tuyến

mà có thể di chuyển trong không gian

đến điện thoại bạn với tốc độ ánh sáng.

Điện thoại của bạn sẽ ghi lại
thời gian đến của tín hiệu

để tính toán khoảng cách đến vệ tinh

bằng công thức đơn giản,
khoảng cách = c x thời gian,

với c là vận tốc ánh sáng,

thời gian chỉ tín hiệu đã đi được bao lâu

Nhưng có một vấn đề.

Ánh sáng cực kì nhanh.

Nếu chúng ta chỉ có thể tính thời gian
được đến giây gần nhất,

tất cả các vị trí trên Trái Đất,
và xa hơn nữa,

dường như có thể ở cùng một khoảng cách
so với vệ tinh.

Vì thế để tính khoảng cách trong vài feet,

chúng ta cần chiếc đồng hồ tốt nhất
từng được phát minh.

Đến đồng hồ nguyên tử,
một vài chiếc quá chính xác

đến độ nó không hề hơn hay kém giây nào

cả khi chạy liên tục 300 triệu năm nữa.

Đồng hồ nguyên tử làm việc theo
vật lý lượng tử.

Mỗi chiếc đồng hồ có một tần số nhất định.

Nói cách khác, một chiếc đồng hồng
phải lặp đi lặp lại một số việc

để đánh dấu những thay đổi tương đương
của thời gian.

Cũng như chiếc đồng hồ quả lắc
vận hành dựa trên dao động đều

sang hai bên quả lắc,

dưới tác dụng của trọng lực,

tiếng tích tắc của đồng hồ nguyên tử

được bảo toàn bởi sự di chuyển

giữa 2 mức năng lượng của nguyên tử.

Đây là lúc cần tìm tìm hiểu
về vật lý lượng tử.

Cơ học lượng tử chỉ ra rằng
các nguyên tử đều mang điện tích,

nhưng chúng không thể
mang một lượng điện tùy ý nào.

Thay vào đó, năng lượng nguyên tử được giữ
ở những tập hợp xác định của các mức.

Những tập hợp này được gọi là các lượng tử

Như một cách loại suy đơn giản,
hãy nghĩ về việc lái xe vào đường cao tốc.

Khi bạn tăng tốc,

thông thường bạn sẽ đi liên tục

từ khoảng 20 dặm/giờ lên 70 dặm/giờ.

Bây giờ, nếu bạn có một chiếc xe
nguyên tử lượng tử,

bạn sẽ không thể tăng tốc
theo cách tuyến tính thông thường.

Thay vào đó, bạn phải ngay lập tức
nhảy, hoặc di chuyển,

từ vận tốc này đến vận tốc tiếp theo.

Đối với một nguyên tử, khi có sự thay đổi
giữa các mức năng lượng

cơ học lượng tử chỉ ra rằng,

sự chênh lệch ở năng lượng
bằng tần số đặc trưng,

nhân với hằng số,

với thay đổi trong năng lượng
là một hằng số,

gọi là hằng số Planck,

nhân với tần số.

Tần số đặc trưng đó là thứ chúng ta cần
để tạo ra chiếc đồng hồ.

Vệ tinh GPS
dựa vào nguyên tử Cesi và Rubi

là những tần số chuẩn.

Trong trường hợp của Cesi 133,

tần số tương đối của đồng hồ
là 9,192,631,770 Hz.

Điều đó tương đương với 9 tỉ vòng/giây.

Đó là một chiếc đồng hồ chạy rất nhanh.

Dù cho người thợ đồng hồ
có chuyên nghiệp đến thế nào,

thì mỗi quả lắc, hay cơ chế lên giây

và tinh thể thạch anh đều chuyển động
theo một tần số hơi xê xích nhau.

Tuy nhiên, mọi nguyên tử Cesi 133 trong vũ trụ này

đều dao động ở một tần số chính xác như nhau.

Vì thế nhờ vào đồng hồ nguyên tử,

chúng ta có thể đọc được thời gian
đúng đến 1 phần tỉ giây,

và có một phép đo chính xác
khoảng cách từ vệ tinh.

Hãy bỏ qua sự thật
là bạn gần như ở ngay trên Trái Đất

Chúng ta đều biết

bạn đang ở một khoảng cách xác định
từ vệ tinh.

Hay nói cách khác,

bạn đang ở đâu đó
trên bề mặt của một hình cầu

có tâm ở vệ tinh.

Đo khoảng cách của bạn
từ một chiếc vệ tinh khác

và bạn sẽ được một hình cầu khác
đè lên hình cầu vừa rồi.

Tiếp tục làm như thế,

và chỉ với 4 phép đo,

và một vài thay đổi dựa trên
thuyết tương đối của Einstein,

Bạn có thể xác định vị trí của mình
tại chính xác 1 điểm trong không gian.

Vậy những gì chúng ta cần là:

một mạng lưới vệ tinh
trị giá hàng tỉ đô la,

nguyên tử Cesi đang dao động,

cơ học lượng tử,

thuyểt tương đối,

một chiếc điện thoại thông minh,

và chính bạn.

Không có vấn đề gì cả.