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

Fordító: Zsuzsa Viola Lektor: Zsófia Herczeg

How does your smartphone know exactly where you are?

Honnan tudja okostelefonunk, hogy pontosan hol vagyunk?

A választ erre 12 000 mérföldnyire a fejünk felett,

The answer lies 12,000 miles over your head

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

egy keringő műholdon találjuk,

ami egy atomóra ütemében tartja számon az időt

a kvantummechanika segítségével.

powered by quantum mechanics.

Phew.

Húha!

Let's break that down.

Nézzük meg ezt részletesebben.

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

Először is, miért olyan fontos tudnunk, mennyi az idő a műholdon,

when location is what we're concerned about?

amikor a helymeghatározás érdekel bennünket?

The first thing your phone needs to determine

Az első, amit a telefonnak meg kell határoznia,

is how far it is from a satellite.

hogy milyen messze van a műholdtól.

Each satellite constantly broadcasts radio signals

Minden műhold folyamatosan rádiójeleket sugároz,

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

amelyek fénysebességgel jutnak el az űrből a telefonra.

Your phone records the signal arrival time

A telefon rögzíti a jel érkezési idejét,

and uses it to calculate the distance to the satellite

és a műholdtól való távolság kiszámításához használja fel

using the simple formula, distance = c x time,

az egyszerű “távolság = c x idő” képlet segítségével,

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

ahol c a fénysebesség, az idő pedig a jel utazási ideje.

De van egy kis gond:

But there's a problem.

A fény hihetetlenül gyors.

Light is incredibly fast.

Ha csak másodpercre pontosan tudnánk számolni,

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

every location on Earth, and far beyond,

úgy tűnne, mintha a Földön és még azon is túl az összes hely

would seem to be the same distance from the satellite.

ugyanolyan távolságra lenne a műholdtól.

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

Így ahhoz, hogy 50-100 méter pontossággal számolhassuk ki a távolságot,

we need the best clock ever invented.

a valaha feltalált legjobb órára van szükségünk.

Keressenek rá az atomórákra, némelyik olyan precíz,

Enter atomic clocks, some of which are so precise

that they would not gain or lose a second

hogy egy másodpercet sem sietnének vagy késnének,

even if they ran for the next 300 million years.

még ha 300 millió évig is járnának.

Atomic clocks work because of quantum physics.

Az atomórák ugyanis a kvantumfizika elvén működnek.

All clocks must have a constant frequency.

Minden órának állandó frekvenciával kell rendelkeznie.

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

Vagyis egy órának valamilyen ismétlődő cselekvést kell végrehajtania

to mark off equivalent increments of time.

az ugyanakkora időintervallumok megjelölésére.

Just as a grandfather clock relies on the constant swinging

Nagyszüleink faliórájához hasonlóan,

back and forth of a pendulum under gravity,

ahol egy inga leng a gravitáció hatására,

the tick tock of an atomic clock

az atomóra ketyegését

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

egy atom két energiaszintjének váltakozása tartja fenn.

Itt lép be a kvantumfizika.

This is where quantum physics comes into play.

Quantum mechanics says that atoms carry energy,

A kvantummechanika kimondja, hogy az atomok energiával rendelkeznek,

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

de az nem vehet fel bármilyen értéket.

Ehelyett az atomnak meghatározott energiaszintjei vannak,

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

az ún. kvantumok, vagyis azok a legkisebb egységek, melyekkel az energia növelhető.

We call these quanta.

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

Egyszerűen szemléltetve: Tegyük fel, hogy az autópályára hajtunk.

As you increase your speed,

Ahogy növeljük a sebességet,

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

folyamatosan gyorsulnánk fel mondjuk 20 km/óráról 70 km/órára.

Nos, ha lenne egy kvantum atomautónk,

Now, if you had a quantum atomic car,

you wouldn't accelerate in a linear fashion.

nem egyenletesen gyorsulnánk.

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

Ehelyett azonnal ugranánk vagy váltanánk egyik sebességről a másikra.

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

Amikor az atom az egyik energiaszintről a másikra lép,

quantum mechanics says

a kvantummechanika elvei alapján

that the energy difference is equal to a characteristic frequency,

az energiakülönbség egyenlő egy jellemző frekvencia

multiplied by a constant,

és egy konstans szorzatával,

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

az energiaváltozás pedig egyenlő az ún. Planck-állandó

times the frequency.

és a frekvencia szorzatával.

Erre a jellemző frekvenciára van szükségünk az óránk elkészítéséhez.

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

A GPS-műholdak a cézium és rubídium atomok frekvenciáját veszik alapul.

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

In the case of cesium 133,

A cézium 133 esetében

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

a jellemző órajelfrekvencia

9 192 631 770 Hz,

That's 9 billion cycles per second.

9 milliárd ciklus másodpercenként.

That's a really fast clock.

Ez aztán a pontos óra!

No matter how skilled a clockmaker may be,

Nem számít, milyen ügyes egy órakészítő,

minden inga, felhúzó szerkezet és kvarckristály

every pendulum, wind-up mechanism

and quartz crystal resonates at a slightly different frequency.

kissé eltérő frekvencián rezeg.

However, every cesium 133 atom in the universe

Azonban a világegyetem összes cézium 133 atomja

oscillates at the same exact frequency.

pontosan ugyanazon a frekvencián oszcillál.

So thanks to the atomic clock,

Hála az atomórának,

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

az időmérés pontatlansága a másodperc egymilliárdad részénél is kisebb,

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

és precízen mérhető a műholdtól való távolság.

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

Hagyjuk figyelmen kívül azt a tényt, hogy szinte biztosan a Földön vagyunk.

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

Most már tudjuk, hogy meghatározott távolságra vagyunk a műholdtól.

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

Más szavakkal

valahol egy gömb felületén helyezkedünk el a műhold körül.

centered around the satellite.

Measure your distance from a second satellite

Mérjük meg a távolságot egy második műholdról,

és egy másik, az előbbit metsző gömbfelületet kapunk.

and you get another overlapping sphere.

Ezt folytatjuk, és mindössze négy méréssel,

Keep doing that,

and with just four measurements,

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

valamint egy kis korrekciót alkalmazva Einstein relativitáselmélete alapján,

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

pontosan meghatározhatjuk a tartózkodási helyünket a térben.

So that's all it takes:

Tehát mindössze ennyi kell:

a multibillion-dollar network of satellites,

több milliárd dolláros műholdhálózat,

oscillating cesium atoms,

oszcilláló céziumatomok,

quantum mechanics,

kvantummechanika,

relativitásemélet,

relativity,

egy okostelefon

a smartphone,

and you.

és mi.

No problem.

Egyszerű.