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

Come fa il tuo cellulare a conoscere la tua posizione? - Wilton L. Virgo

Traduttore: Gaetano Marzella Revisore: Maria Ivana Palumbo

How does your smartphone know exactly where you are?

Come fa il tuo cellulare a sapere la tua esatta posizione?

The answer lies 12,000 miles over your head

La risposta si trova a 20.000 chilometri sopra di te

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

in un satellite che tiene il tempo col ritmo di un orologio atomico

powered by quantum mechanics.

che funziona grazie alla meccanica quantistica.

Phew.

Fiu!

Let's break that down.

Analizziamo la cosa più nel dettaglio.

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

Prima di tutto, perché è così importante sapere che ora è su un satellite

when location is what we're concerned about?

quando ciò che ci interessa è la posizione?

The first thing your phone needs to determine

La prima cosa che il telefono deve calcolare

is how far it is from a satellite.

è la sua distanza dal satellite.

Each satellite constantly broadcasts radio signals

Ogni satellite trasmette continuamente segnali radio

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

che viaggiano dallo spazio al tuo telefono alla velocità della luce.

Your phone records the signal arrival time

Il tuo telefono registra il tempo in cui il segnale arriva

and uses it to calculate the distance to the satellite

e lo usa per calcolare la distanza dal satellite

using the simple formula, distance = c x time,

usando la seplice formula distanza = c x tempo,

dove "c" è la velocità della luce e il tempo è quello impiegato

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

But there's a problem.

Light is incredibly fast.

La luce è incredibilmente veloce.

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

Se solo riuscissimo a calcolare l'unità di tempo fosse al secondo

every location on Earth, and far beyond,

ogni punto della Terra, e molto più in là,

would seem to be the same distance from the satellite.

risulterebbero alla stessa distanza dal satellite.

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

Per calcolare la distanza con uno scarto di poche decine di metri

we need the best clock ever invented.

ci occorre il miglior orologio mai inventato.

Enter atomic clocks, some of which are so precise

Ecco a voi gli orologi atomici, alcuni dei quali sono così precisi

that they would not gain or lose a second

che non perderebbero né guadagnerebbero un solo secondo

even if they ran for the next 300 million years.

anche se funzionassero per i prossimi 300 milioni di anni.

Atomic clocks work because of quantum physics.

Gli orologi atomici funzionano grazie alla fisica quantistica.

All clocks must have a constant frequency.

Tutti gli orologi devono avere una frequenza costante:

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

un orologio deve eseguire una qualche azione ripetitiva

to mark off equivalent increments of time.

per marcare incrementi di tempo equivalenti.

Just as a grandfather clock relies on the constant swinging

Così come un orologio a pendolo dipende dalla costante oscillazione

back and forth of a pendulum under gravity,

avanti e indietro di un pendolo causata dalla forza di gravità,

the tick tock of an atomic clock

così il ticchettio di un orologio atomico

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

è mantenuto dalla transizione di un atomo tra due livelli energetici.

This is where quantum physics comes into play.

È qui che entra in gioco la fisica quantistica.

Quantum mechanics says that atoms carry energy,

La meccanica quantistica ci dice che gli atomi hanno dell'energia,

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

ma non possono averne una quantità arbitraria.

Al contrario,

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

l'energia atomica può assumere solo un insieme discreto di valori,

We call these quanta.

chiamati "quanti".

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

A titolo di esempio, immaginate di guidare in autostrada.

As you increase your speed,

Aumentando la velocità,

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

normalmente passate in maniera continua da 30 km/h a 110.

Now, if you had a quantum atomic car,

Invece, se aveste un'automobile quantistica

you wouldn't accelerate in a linear fashion.

non potreste accelerare in maniera lineare.

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

Al contrario, fareste un "salto",

o meglio, una transizione,

da una velocità all'altra.

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

Quando un atomo si sposta da un livello energetico a un altro

quantum mechanics says

la meccanica quantistica dice

that the energy difference is equal to a characteristic frequency,

che la differenza di energia è pari alla frequenza caratteristica,

multiplied by a constant,

moltiplicata per una costante,

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

dove la variazione di energia è pari alla costante di Planck

times the frequency.

moltiplicata per la frequenza.

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

La frequenza caratteristica è quello che ci serve

per realizzare il nostro orologio.

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

I satelliti GPS usano gli atomi di cesio e rubidio come standard di frequenza.

In the case of cesium 133,

Nel caso del cesio 133,

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

la frequenza caratteristica dell'orologio è di 9.192.631.770 Hz.

That's 9 billion cycles per second.

Ovvero 9 miliardi di cicli al secondo.

That's a really fast clock.

Un orologio davvero veloce.

No matter how skilled a clockmaker may be,

Non importa quanto sia bravo l'orologiaio,

every pendulum, wind-up mechanism

ogni pendolo, ogni meccanismo a molla

and quartz crystal resonates at a slightly different frequency.

o al quarzo risuona a una frequenza leggermente diversa.

However, every cesium 133 atom in the universe

Invece, ogni atomo di cesio 133 presente nell'universo

oscillates at the same exact frequency.

oscilla esattamente alla stessa frequenza.

So thanks to the atomic clock,

Perciò, grazie agli orologi atomici,

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

la rilevazione del tempo è precisa al miliardesimo di secondo,

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

e una misurazione molto precisa della distanza dal satellite.

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

Lasciamo perdere il fatto che quasi certamente ti trovi sulla Terra.

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

Sappiamo ora che sei a una distanza fissa dal satellite.

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

In altre parole, occupi un punto sulla superficie di una sfera

centered around the satellite.

che ha per centro il satellite.

Measure your distance from a second satellite

Misura la tua distanza da un secondo satellite

and you get another overlapping sphere.

e ottieni un'altra sfera sovrapposta alla prima.

Keep doing that,

Procedi così,

and with just four measurements,

e con sole quattro misurazioni,

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

più una piccola correzione usando la teoria della relatività di Einstein,

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

puoi stabilire la tua esatta posizione in un punto preciso dello spazio.

So that's all it takes:

Dunque, ecco cosa occorre:

a multibillion-dollar network of satellites,

una rete di satelliti da miliardi di dollari,

oscillating cesium atoms,

atomi di cesio che oscillano,

quantum mechanics,

meccanica quantistica,

relativity,

relatività,

a smartphone,

un cellulare,

and you.

e tu.

No problem.

Non c'è problema.