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智能手机如何定位位置? - Wilton L. Virgo

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    你的智能手机是怎么定位你的位置的？
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    答案藏在你头顶
    19000多公里高空中的卫星上，
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    卫星利用基于量子力学的
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    原子钟来运行。
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    呼...
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    来分解一下这句话。
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    首先，为什么知道
    卫星上的时间很重要？
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    尤其当我们关心的是
    定位位置，而不是时间。
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    首先，你的手机要计算出
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    你离卫星有多远。
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    每个卫星都会间歇性地
    发射出无线电波信号，
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    信号以光速从卫星传递到你的手机。
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    手机会记录接受信号的时间间隔，
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    然后计算出与卫星之间的距离，
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    用这个简单的公式：距离=c*时间，
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    c就是光速，时间就是
    信号传递的时间间隔。
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    但是，有一个问题。
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    光速是极快的。
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    如果我们只能粗略估计
    信号传递时间的长短，
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    地球上的每一个地点，
    即便彼此相距很远，
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    看起来也都会和卫星相隔同样的距离。
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    所以为了计算出相隔只有几米远的距离，
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    我们需要一个最精准的“钟”。
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    原子钟，是非常精准的钟，
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    它们不会多走或者少走一秒钟，
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    即使走上3亿年也是这样。
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    原子钟走的如此精准，
    是基于量子力学原理。
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    所有的钟都遵循固定的频率工作。
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    换句话说，也就是钟在固定时间内
    会重复同样的动作
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    来标记相等时段的时间。
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    就好像老式钟表依靠重力控制的钟摆
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    会以固定频率的摆动来工作一样，
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    原子钟的走动
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    依靠的是一个原子的
    两个能级间的跃迁。
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    这就是量子物理的实际应用。
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    量子力学认为每个原子都带有能量，
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    但不是带有任意数值的能量。
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    实际上，原子的能量
    由一系列确定的等级决定。
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    这些等级我们称之为量子。
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    打个比方，有一辆车在高速上行驶。
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    当你加速时，
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    正常情况下你会从每小时
    32公里逐渐加速到110公里。
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    现在，如果你有一辆原子车，
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    你就不会一码一码地线性加速。
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    而是瞬间从低速跳变到高速，
    不需要任何过渡。
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    对于一个原子在两个能级之间
    发生一次跃迁，
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    量子力学认为，
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    能级之间的能量差是
    根据跃迁时的特征频率
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    乘以一个常数得出的，
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    也就是说能量的变化，
    等于一个常数，也就是普朗克常量，
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    乘以跃迁时的特征频率。
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    利用这个特征频率，
    我们可以制造原子钟。
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    GPS卫星以铯(Cs)和铷(Rb)原子的
    共振频率为频率标准。
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    铯133(中子数为133的铯元素)，
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    它的特征频率为
    91亿9263万1770 赫兹。
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    也就是每秒走90亿圈。
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    这个钟真是超级无敌快。
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    无论多么出色的钟表匠
    都造不出来这样的钟，
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    每一组钟摆、齿轮和
    石英晶体三者之间的
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    共振频率总会有细微的差别。
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    但是，宇宙中的每一个铯133原子
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    都遵循着同样精准的共振频率。
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    幸亏有了原子钟，
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    我们可以精确到一秒的十亿分之一，
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    由此就可以得出
    与卫星之间的准确距离。
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    我们假设你正好位于地球表面。
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    已知你与卫星之间的距离不变。
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    换句话说，
    你就在以卫星为中心的一个球体
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    表面的某个地方。
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    再根据第二个卫星来测量距离，
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    就可以得到另外一个有重叠的球体。
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    不断累加，
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    四个卫星测量得到的
    四个球体重叠于一点后，
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    再根据爱因斯坦的
    相对论进行细微的修正，
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    你就可以精准地知道自己的位置。
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    精确定位就是这么实现的：
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    一个用数十亿美元
    构建起来的卫星网络，
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    振动的铯原子，
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    量子力学，
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    相对论，
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    一部智能手机，
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    还有你。
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    小菜一碟！
Title:
智能手机如何定位位置? - Wilton L. Virgo
Speaker:
Wilton L. Virgo
Description:

观看完整课程：http://ed.ted.com/lessons/how-does-your-smartphone-know-your-location-wilton-l-virgo

智能手机中的GPS定位应用程序方便人们查询旅行路线和找到附近的活动地点。 不过你的手机是怎么知道你在哪里的呢？Wilton L. Virgo 揭示了答案：就在你头顶1万9千多公里的高空中，利用一个绕地卫星上以量子力学为基础的原子钟来精确定位时间。

授课：Wilton L. Virgo, 动画： Nick Hilditch.
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Video Language:
English
Team:
closed TED
Project:
TED-Ed
Duration:
05:04

Chinese, Simplified subtitles

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