How does your smartphone know your location? - Wilton L. Virgo

كيف يحدد جهازك الذكي موقعك؟ - ويلتون إل فيرغو

المترجم: Mhd Adnan Ayasso المدقّق: khalid marbou

How does your smartphone know exactly where you are?

كيف يحدد هاتفك الذكي تمامًا مكان وجودك؟

The answer lies 12,000 miles over your head

يكمن الجواب على بعد 12000 ميل فوق رؤوسكم

in an orbiting satellite that keeps time to the beat of an atomic clock

داخل قمر صناعي يحافظ على الوقت على وقع ساعة ذرية

powered by quantum mechanics.

مدعومة بميكانيكا الكم

Phew.

أوف.

Let's break that down.

لنجزّئ ذلك.

First of all, why is it so important to know what time it is on a satellite

أولًا، لماذا من الأهمية بمكان أن تعلم ما هو الوقت على القمر الصناعي

when location is what we're concerned about?

عندما يكون الموقع محور اهتمامنا؟

The first thing your phone needs to determine

أول أمر يجب على هاتفك تحديده

is how far it is from a satellite.

هو بعده عن القمر الصناعي

Each satellite constantly broadcasts radio signals

يبثّ كلّ قمر صناعي إشارات لاسلكية

that travel from space to your phone at the speed of light.

تقطع المسافة ما بين الفضاء وجهازك بسرعة الضوء

Your phone records the signal arrival time

ويسجّل جهازك وقت وصول هذه الإشارة

and uses it to calculate the distance to the satellite

ويستخدمها ليحسب المسافة إلى القمر الصناعي

using the simple formula, distance = c x time,

بواسطة المعادلة البسيطة المسافة= س X الزمن

where c is the speed of light and time is how long the signal traveled.

حيث (س) هي سرعة الضوء والوقت هو كم قطعت الإشارة من الزمن

But there's a problem.

ولكن هناك مشكلة

Light is incredibly fast.

الضوء سريع على نحو لا يصدق

If we were only able to calculate time to the nearest second,

فحتى لو تمكنّا من حساب الوقت إلى أدق ثانية

every location on Earth, and far beyond,

فإن كل موقع على وجه الأرض بل أبعد من هذا

would seem to be the same distance from the satellite.

سيبدو متساويا من حيث المسافة عن القمر الصناعي

So in order to calculate that distance to within a few dozen feet,

لذلك من أجل حساب تلك المسافة في حدود بضعة عشرات من الأقدام

we need the best clock ever invented.

نحتاج إلى أفضل ساعة على الإطلاق

Enter atomic clocks, some of which are so precise

الساعات الذرية والتي يعتبر بعضها دقيقا جدا

that they would not gain or lose a second

إلى درجة أنها لا تزيد أو تقل بمقدار ثانية

even if they ran for the next 300 million years.

حتى لو بقيت تعمل على مدار الثلاثمئة مليون سنة القادمة

Atomic clocks work because of quantum physics.

تعمل الساعة الذرية بسبب الفيزياء الكمية

All clocks must have a constant frequency.

لجميع الساعات تردد ثابت

In other words, a clock must carry out some repetitive action

بعبارة أخرى، يجب على هذه الساعة أن تقوم ببعض العمل المتكرر

to mark off equivalent increments of time.

لتحديد زيادات متكافئة في الوقت

Just as a grandfather clock relies on the constant swinging

مثلما تعتمد ساعة جدي على تأرجح مستمر

back and forth of a pendulum under gravity,

لرقاص الساعة للأمام والخلف تحت تأثير الجاذبية

the tick tock of an atomic clock

إن دقّة الساعة الذرية

is maintained by the transition between two energy levels of an atom.

تستمر من خلال التحول ما بين مستويين في طاقة الذرة

This is where quantum physics comes into play.

هنا يأتي دور الفيزياء الكمية

Quantum mechanics says that atoms carry energy,

تقول الميكانيكا الكمية بأن الذرات تحمل الطاقة

but they can't take on just any arbitrary amount.

ولكنها لا تقبل فقط أي كمية عشوائيةّ

Instead, atomic energy is constrained to a precise set of levels.

بل تتقيّد الطاقة الذرية في مجموعة دقيقة من المستويات

We call these quanta.

ندعوها بالكمومات

As a simple analogy, think about driving a car onto a freeway.

كمقارنة بسيطة تخيلوا قيادة سيارة على الطريق السريع

As you increase your speed,

عندما تزيد السرعة

you would normally continuously go from, say, 20 miles/hour up to 70 miles/hour.

ستتصاعد باستمرار وبشكل اعتيادي من 20 ميل إلى 70 ميل بالساعة

Now, if you had a quantum atomic car,

ولكن لو كنت تملك سيارة ذرية كمومية

you wouldn't accelerate in a linear fashion.

فأنت لن تسرع وفق خطّ مستقيم

Instead, you would instantaneously jump, or transition, from one speed to the next.

بل ستقفز على الفور أو تنتقل من سرعة لأخرى

For an atom, when a transition occurs from one energy level to another,

بالنسبة للذرة، عندما يحدث الانتقال من مستوى طاقة إلى آخر

quantum mechanics says

تخبرنا الميكانيكا الكمية

that the energy difference is equal to a characteristic frequency,

بأن فرق الطاقة يساوي ترددًا محددًا

multiplied by a constant,

مضروبًا بثابت

where the change in energy is equal to a number, called Planck's constant,

حيث التغير في الطاقة يساوي عددًا يدعى ثابت بلانك

times the frequency.

أضعاف التردد

That characteristic frequency is what we need to make our clock.

ذلك التردد المحدد هو ما نحتاجه لصناعة ساعتنا

GPS satellites rely on cesium and rubidium atoms as frequency standards.

تعتمد أقمار GPS على ذرات السيزيوم والروبيديوم كمعايير التردد

In the case of cesium 133,

في حالة السيزيوم 133

the characteristic clock frequency is 9,192,631,770 Hz.

فإن تردد الساعة المحدد هو 9،192،631،770 هيرتز

That's 9 billion cycles per second.

هذا يكافئ تسعة مليارات دورة في الثانية

That's a really fast clock.

هذه بالفعل ساعة فائقة السرعة

No matter how skilled a clockmaker may be,

مهما كان صانع الساعة ماهرًا

every pendulum, wind-up mechanism

فكل من رقّاص الساعة وآلية الرياح

and quartz crystal resonates at a slightly different frequency.

وبلورة الكوارتز يرنّون بتردد مختلف قليلًا

However, every cesium 133 atom in the universe

ومع ذلك، كل ذرة سيزيوم 133 في الكون

oscillates at the same exact frequency.

تتأرجح على نفس التردد المحدد

So thanks to the atomic clock,

لذلك شكرًا للساعة الذرية

we get a time reading accurate to within 1 billionth of a second,

نقرأ الوقت بدقّة تصل إلى واحد في المليار من الثانية

and a very precise measurement of the distance from that satellite.

وقياس مسافة دقيق جدًا من ذلك القمر

Let's ignore the fact that you're almost definitely on Earth.

لنتجاهل حقيقة بأنك بالتأكيد على الأرض

We now know that you're at a fixed distance from the satellite.

نعلم الآن بأنك تبعد مسافة ثابتة من القمر الصناعي

In other words, you're somewhere on the surface of a sphere

بعبارة أخرى، أنت في مكان ما على سطح كرة

centered around the satellite.

تتمحور حول القمر

Measure your distance from a second satellite

قم بقياس بعدك عن قمر صناعي آخر

and you get another overlapping sphere.

وستحصل على مجال متداخل آخر

Keep doing that,

استمر في القيام بذلك

and with just four measurements,

وبعد أربع محاولات فقط

and a little correction using Einstein's theory of relativity,

ومع قليل من التصحيح مستخدمًا النظرية النسبية لأينشتاين

you can pinpoint your location to exactly one point in space.

يمكنك تحديد موقعك الى نقطة واحدة بالضبط في الفضاء

So that's all it takes:

إذًا هذا كل ما يتطلبه الأمر

a multibillion-dollar network of satellites,

شبكة من الأقمار الصناعية بمليارات الدولارات

oscillating cesium atoms,

ذرات السيزيوم متأرجحة

quantum mechanics,

والميكانيكا الكمية

relativity,

والنسبية

a smartphone,

وهاتف ذكي

and you.

وأنت.

No problem.

لا مشكلة.