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

Translator: Black Note

How does your smartphone know exactly where you are?

چگونه تلفن همراهت می‌داند تو دقیقا کجا هستی؟

The answer lies 12,000 miles over your head

جواب این سوال در ۱۹,۳۱۲ کیلومتری بالای سرت است

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

در یک ماهواره‌ی در گردش که زمان را با یک ساعت کوانتومی نگه می‌دارد

powered by quantum mechanics.

که توسط فیزیک کوانتوم کار می‌کند.

Phew.

آخیش.

Let's break that down.

بگذار این را کمی توضیح دهیم.

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

اولا، چرا مهم است بدانیم در یک ماهواره ساعت چند است

when location is what we're concerned about?

وقتی که « مکان » آن چیزی است که دنبالش هستیم؟

The first thing your phone needs to determine

اولین چیز این است که، گوشی تو باید مشخص کند

is how far it is from a satellite.

چقدراز ماهواره فاصله دارد.

Each satellite constantly broadcasts radio signals

هر یک از ماهواره‌ها بطور دائمی سیگنال‌های رادیویی می‌فرستد

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

که از فضا تا گوشی تو با سرعت نور سفر می‌کند.

Your phone records the signal arrival time

گوشی تو زمان رسیدن سیگنال را ذخیره می‌کند

and uses it to calculate the distance to the satellite

و از آن استفاده می‌کند تا فاصله ماهواره را محاسبه کند

using the simple formula, distance = c x time,

با استفاده از این فرمول ساده، فاصله = سی x زمان

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

که سی سرعت نور است و زمان مقدار زمان سفر سیگنال است.

But there's a problem.

ولی یک مشکلی وجود دارد.

Light is incredibly fast.

نور بسیار سریع است.

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

اگر ما قادر بودیم تا فقط زمان را تا کمترین ثانیه محاسبه کنیم،

every location on Earth, and far beyond,

تمام مکان‌ها روی زمین، و فراتر،

would seem to be the same distance from the satellite.

به نظر می‌رسید که همه‌ی آنها یکسان از ماهواره فاصله دارند.

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

پس برای اینکه آن مسافت را در چندین پا محاسبه کنیم،

we need the best clock ever invented.

ما به بهترین ساعت که تا الان اختراع شده نیاز داریم.

Enter atomic clocks, some of which are so precise

با ساعت اتمی آشنا شوید، بعضی‌ از آنها آنقدر دقیق هستند که

that they would not gain or lose a second

آنها حتی یک ثانیه را از دست نمی‌دهند یا اضافه نمی‌کنند

even if they ran for the next 300 million years.

حتی اگر برای ۳۰۰ میلیون سال کار کنند.

Atomic clocks work because of quantum physics.

ساعت‌های اتمی به دلیل فیزیک کوانتوم کار می‌کنند.

All clocks must have a constant frequency.

تمام ساعت‌ها باید یک فرکانسی متوالی داشته باشند.

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

به عبارتی دیگر، یک ساعت باید یک عمل تکراری را انجام دهد

to mark off equivalent increments of time.

تا افزایش معادل زمان را علامت بزند.

Just as a grandfather clock relies on the constant swinging

مثله یک ساعت آونگدار که به نوسان جلو وعقب

back and forth of a pendulum under gravity,

رفتن یک آونگ زیر جاذبه تکیه می‌کند.

the tick tock of an atomic clock

تیک تاک یک ساعت اتمی

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

توسط انتقال انرژی بین یک اتم حفظ می‌شود.

This is where quantum physics comes into play.

اینجاست که فیزیک کوانتوم وارد عمل می‌شود.

Quantum mechanics says that atoms carry energy,

مکانیک کوانتوم می‌گوید که اتم‌ها انرژی دارند،

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

ولی آنها نمی‌توانند مقدارهای دلخواهانه بگیرند.

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

درعوض، انرژی اتمی به اندازه‌های دقیق تقسیم بندی شده است.

We call these quanta.

ما به اینها کوانتا می‌گوییم.

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

برای یک مثال ساده، فرض کنید دارید یک ماشین را در یک آزادراه می‌رانید.

As you increase your speed,

چنانکه سرعتت را زیاد می‌کنی،

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

تومعمولا به طور مداوم ازمثلا ۳۲/۲کیلومتر بر ساعت تا ۱۱۲/۷کیلومتر بر ساعت می‌روی.

Now, if you had a quantum atomic car,

ولی، اگر تو یک ماشین اتمیک کوانتومی داشتی،

you wouldn't accelerate in a linear fashion.

تو به صورت معمولی شتاب پیدا نمی‌کنی.

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

درعوض، تو مستقیما از یک سرعت به دیگری می‌پری، انتقال پیدا می‌کنی.

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

برای یک اتم، وقتی انتقال از یک مرحله به مرحله‌ی دیگر اتفاق می‌افتد،

quantum mechanics says

فیزیک کوانتوم می‌گوید که

that the energy difference is equal to a characteristic frequency,

اختلاف انرژی مساوی است با یک فرکانس مشخص،

multiplied by a constant,

ضربدر یک مقدار ثابت،

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

جایی که تغییر در انرژی مساوی است با یک عدد، که مقدار ثابت پلانک نام دارد،

times the frequency.

ضربدر فرکانسی.

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

آن فرکانس مشخص همان چیز است که برای ساختن ساعتمان نیاز داریم.

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

ماهواره‌های جی پی اس‌ به اتم‌های سزیم و روبییدیم برای فرکانس‌های ثابت تکیه می‌کنند

In the case of cesium 133,

در مسئله‌ی سزیم ۱۳۳،

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

فرکانسی مشخص ساعت ۹,۱۹۲,۶۳۱,۷۷۰ هرتز است.

That's 9 billion cycles per second.

آن ۹ میلیارد چرخش بر ثانیه هستش.

That's a really fast clock.

آن یک ساعت واقعا سریعی است.

No matter how skilled a clockmaker may be,

اهمیت ندارد که یک ساعت‌ساز چقدر ماهر است،

every pendulum, wind-up mechanism

تمام آونگ‌ها، مکانیسم‌های پایانی و

and quartz crystal resonates at a slightly different frequency.

کریستال کوارتز در فرکانسی‌های کمی متفاوت طنین می‌اندازند.

However, every cesium 133 atom in the universe

ولی، تمامیه اتم‌های سزیم ۱۳۳ در جهان

oscillates at the same exact frequency.

در فرکانسی یکسانی نوسان می‌کنند.

So thanks to the atomic clock,

با کمک ساعت اتمی،

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

ما یک ساعت با دقت ۱ میلیاردم ثانیه داریم،

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

و یک اندازه‌گیری بسیار دقیق فاصله ماهواره.

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

اصلا حقیقت اینکه تو حتما روی زمین هستی را فراموش کنیم.

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

ما الان می‌دانیم که تو یک فاصله‌ی ثابت از ماهواره فاصله داری.

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

به عبارت دیگر، تو یکجایی روی یک سطح کروی هستی

centered around the satellite.

در حوالی ماهواره قرار داری.

Measure your distance from a second satellite

فاصله‌ات را از یک ماهواره‌ی محاسبه کن

and you get another overlapping sphere.

و تو یک کره روهم افتاده‌ی دیگری داری.

Keep doing that,

کارت را ادامه بده،

and with just four measurements,

و فقط با چهار اندازه‌گیری

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

و کمی تصحیح با استفاده از قانون نسبیت انیشتین،

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

تو می‌توانی موقعیتت را با دقت بالا در یک نقطه در فضا مشخص کنی.

So that's all it takes:

پس فقط به اینها احتیاج داری:

a multibillion-dollar network of satellites,

یک شبکه ماهواره‌ای مولتی‌میلیاردی،

oscillating cesium atoms,

نوسان کردن اتم‌های سزیوم،

quantum mechanics,

فیزیک کوانتوم،

relativity,

نسبیت،

a smartphone,

یک گوشی همراه

and you.

و تو.

No problem.

مشکلی نیست.