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

Μετάφραση: Ioustina Flemotomou Επιμέλεια: Ioannis Papacheimonas

How does your smartphone know exactly where you are?

Πώς γνωρίζουν τα έξυπνα κινητά πού ακριβώς βρισκόσαστε;

Η απάντηση βρίσκεται 20.000 χλμ πάνω από το κεφάλι σας

The answer lies 12,000 miles over your head

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

σε έναν δορυφόρο σε τροχιά γύρω από τη Γη που μετρά τον χρόνο με έναν ατομικό ρολόι

βασισμένο στην κβαντομηχανική.

powered by quantum mechanics.

Phew.

Ουφ.

Let's break that down.

Ας το αναλύσουμε αυτό.

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

Καταρχήν, γιατί είναι τόσο σημαντικό να γνωρίζουμε την ώρα σε έναν δορυφόρο

when location is what we're concerned about?

όταν αυτό που μας ενδιαφέρει είναι η τοποθεσία;

The first thing your phone needs to determine

Το πρώτο πράγμα που το κινητό πρέπει να καθορίσει

is how far it is from a satellite.

είναι η απόστασή του από έναν δορυφόρο.

Each satellite constantly broadcasts radio signals

Κάθε δορυφόρος μονίμως εκπέμπει ραδιοσήματα

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

που διανύουν την απόσταση από το διάστημα μέχρι το κινητό με την ταχύτητα του φωτός.

Your phone records the signal arrival time

Το κινητό καταγράφει το χρόνο λήψης του σήματος

and uses it to calculate the distance to the satellite

και τον χρησιμοποιεί στον υπολογισμό της απόστασης από το δορυφόρο

using the simple formula, distance = c x time,

με τον απλό τύπο: απόσταση = c επί χρόνο,

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

όπου c η ταχύτητα του φωτός, επί τον χρόνο που χρειάστηκε για να κινηθεί το σήμα.

Αλλά υπάρχει ένα πρόβλημα.

But there's a problem.

Light is incredibly fast.

Το φως κινείται απίστευτα γρήγορα.

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

Αν μπορούσαμε να υπολογίζουμε τον χρόνο με ακρίβεια δευτερολέπτου,

every location on Earth, and far beyond,

κάθε τοποθεσία πάνω στη Γη, αλλά και ακόμα πιο μακριά,

would seem to be the same distance from the satellite.

θα φαινόταν να βρίσκεται σε ίδια απόσταση από τον δορυφόρο.

Οπότε, για να υπολογίσουμε την απόσταση με ακρίβεια μερικών μέτρων,

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

χρειαζόμαστε το καλύτερο ρολόι που φτιάχτηκε ποτέ.

we need the best clock ever invented.

Καλωσορίσατε στα ατομικά ρολόγια, μερικά από τα οποία είναι τόσο ακριβή

Enter atomic clocks, some of which are so precise

that they would not gain or lose a second

που δεν κερδίζουν ούτε χάνουν έστω και ένα δευτερόλεπτο

even if they ran for the next 300 million years.

ακόμα και αν δουλέψουν για τα υπόλοιπα 300 εκατομμύρια χρόνια.

Τα ατομικά ρολόγια στηρίζουν τη λειτουργία τους στην κβαντική φυσική.

Atomic clocks work because of quantum physics.

All clocks must have a constant frequency.

Όλα τα ρολόγια πρέπει να έχουν σταθερή συχνότητα.

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

Με άλλα λόγια, ένα ρολόι πρέπει να εκτελεί μια επαναλαμβανόμενη ενέργεια

to mark off equivalent increments of time.

για να μετρά ίσα χρονικά τμήματα.

Όπως ακριβώς το ρολόι των παππούδων βασίζεται στην σταθερή αιώρηση

Just as a grandfather clock relies on the constant swinging

back and forth of a pendulum under gravity,

ενός παλινδρομικού εκκρεμούς υπό την επίδραση βαρύτητας,

the tick tock of an atomic clock

το τικ τακ ενός ατομικού ρολογιού

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

διατηρείται με την μετάβαση μεταξύ δύο ενεργειακών σταθμών ενός ατόμου.

Εδώ έρχεται η κβαντική φυσική να παίξει τον ρόλο της.

This is where quantum physics comes into play.

Η κβαντομηχανική λέει πως τα άτομα διαθέτουν ενέργεια,

Quantum mechanics says that atoms carry energy,

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

αλλά όχι ένα τυχαίο ποσό ενέργειας.

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

Αντίθετα, η ατομική ενέργεια περιορίζεται σε συγκεκριμένες ποσότητες ανά επίπεδο.

We call these quanta.

Οι ποσότητες αυτές ονομάζονται κβάντα.

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

Για να το καταλάβετε, σκεφτείτε να οδηγείτε αυτοκίνητο σε μια λεωφόρο.

As you increase your speed,

Καθώς αυξάνετε ταχύτητα,

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

κανονικά θα επιταχύνετε π.χ. από τα 35 χλμ/ώρα στα 90 χλμ/ώρα.

Now, if you had a quantum atomic car,

Αν όμως είχατε ένα κβαντικό ατομικό αυτοκίνητο,

you wouldn't accelerate in a linear fashion.

δεν θα επιταχύνατε με γραμμικό τρόπο.

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

Αντίθετα θα περνούσες ακαριαία, ή θα μετέβαινες από τη μία ταχύτητα στην άλλη.

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

Για ένα άτομο, όταν συμβαίνει μια μετάβαση από ένα ενεργειακό επίπεδο σε ένα άλλο,

quantum mechanics says

η κβαντομηχανική λέει

that the energy difference is equal to a characteristic frequency,

πως η ενεργειακή διαφορά είναι ίση με μια χαρακτηριστική συχνότητα,

multiplied by a constant,

πολλαπλασιασμένη με μια σταθερά,

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

όπου η διαφορά στην ενέργεια είναι ίση με έναν αριθμό, την σταθερά του Planck,

times the frequency.

επί την συχνότητα.

Αυτήν την χαρακτηριστική συχνότητα χρειαζόμαστε για να φτιάξουμε το ρολόι.

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

Οι δορυφόροι GPS βασίζονται στο Καίσιο και το Ρουβίδιο για πρότυπες συχνότητες.

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

In the case of cesium 133,

Στην περίπτωση του Καισίου 133,

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

η χαρακτηριστική συχνότητα ρολογιού είναι 9.192.631.770 Hz.

That's 9 billion cycles per second.

Δηλαδή 9 δισεκατομμύρια κύκλους το δευτερόλεπτο.

That's a really fast clock.

Πολύ γρήγορο αυτό το ρολόι.

No matter how skilled a clockmaker may be,

Ακόμα και από τον καλύτερο ωρολογοποιό,

every pendulum, wind-up mechanism

κάθε ρολόι εκκρεμές, κουρδιστό και με κρυστάλλους χαλαζία

and quartz crystal resonates at a slightly different frequency.

κτυπάει σε μια ελαφρώς διαφορετική συχνότητα.

However, every cesium 133 atom in the universe

Ωστόσο, κάθε άτομο Καισίου 133 σε ολόκληρο το σύμπαν

oscillates at the same exact frequency.

ταλαντώνεται στην ίδια ακριβώς συχνότητα.

So thanks to the atomic clock,

Έτσι, χάρη στο ατομικό ρολόι,

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

παίρνουμε μια ένδειξη χρόνου με ακρίβεια ενός δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου,

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

και μια πολύ ακριβή μέτρηση της απόστασης από τον δορυφόρο.

Ας αγνοήσουμε το γεγονός πως είστε σχεδόν σίγουρα στην Γη.

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

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

Γνωρίζουμε πως είστε σε μια καθορισμένη απόσταση από τον δορυφόρο.

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

Με άλλα λόγια, είστε κάπου στην επιφάνεια μιας σφαίρας

centered around the satellite.

στο κέντρο της τροχιάς του δορυφόρου.

Measure your distance from a second satellite

Μετρήστε την απόσταση από έναν 2ο δορυφόρο

και θα έχετε άλλη μια σφαίρα που καλύπτει μέρος της προηγούμενης.

and you get another overlapping sphere.

Keep doing that,

Συνεχίστε έτσι,

and with just four measurements,

και με μόλις τέσσερις μετρήσεις,

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

και με μια μικρή διόρθωση με τη βοήθεια της Θεωρίας της Σχετικότητας,

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

θα έχεις εντοπίσει την τοποθεσία σου ως έναν μοναδικό σημείο στο διάστημα.

Οπότε, μόνον αυτό χρειάζεται:

So that's all it takes:

a multibillion-dollar network of satellites,

ένα δίκτυο δορυφόρων αξίας πολλών δισεκατομμυρίων ευρώ,

oscillating cesium atoms,

ταλαντώσεις ατόμων Καισίου,

quantum mechanics,

κβαντομηχανική,

relativity,

σχετικότητα,

a smartphone,

έναν έξυπνο κινητό,

and you.

και εσένα.

No problem.

Κανένα πρόβλημα.