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

איך הטלפון החכם שלכם יודע את המיקום שלכם? ווילטון ל. וירגו

תרגום: Ido Dekkers עריכה: Tal Dekkers

How does your smartphone know exactly where you are?

איך הסמרטפון שלכם יודע בדיוק איפה אתם?

The answer lies 12,000 miles over your head

התשובה נמצאת 19,300 קילומטר מעל ראשכם

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

בלווין ששומר על הזמן למקצב של שעון אטומי

powered by quantum mechanics.

שמופעל על ידי מכאניקה קוואנטית.

Phew.

וואו.

Let's break that down.

בואו נפרוט את זה.

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

ראשית, למה זה כל כך חשוב לדעת מה השעה על הלווין

when location is what we're concerned about?

כשמה שמדאיג אותנו זה המיקום?

The first thing your phone needs to determine

הדבר הראשון שהטלפון שלכם צריך לקבוע

is how far it is from a satellite.

זה כמה הוא רחוק מהלווין.

Each satellite constantly broadcasts radio signals

כל לווין משדר ברציפות אותות רדיו

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

שנעים מהחלל לטלפון שלכם במהירות האור.

Your phone records the signal arrival time

הטלפון שלכם מתעד את זמן הגעת האות

and uses it to calculate the distance to the satellite

ומשתמש בו כדי לחשב את המרחק ללווין

using the simple formula, distance = c x time,

על ידי שימוש בנוסחה הפשוטה, מרחק = c * זמן,

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

בה c היא מהירות האור וזמן הוא כמה זמן לקח לסיגנל להגיע.

But there's a problem.

אבל יש בעיה.

Light is incredibly fast.

אור הוא ממש מהיר.

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

אם רק היינו מסוגלים לחשב זמן לשניה הקרובה ביותר,

every location on Earth, and far beyond,

כל מיקום על כדור הארץ, והרבה יותר רחוק,

would seem to be the same distance from the satellite.

היה נראה באותו מרחק מהלווין.

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

אז כדי לחשב את המרחק לכמה מטרים בודדים,

we need the best clock ever invented.

אנחנו צריכים את השעון הטוב ביותר שהומצא אי פעם.

Enter atomic clocks, some of which are so precise

ופה נכנסים שעונים אטומיים, כמה מהם כל כך מדוייקים

that they would not gain or lose a second

שהם לא יסטו בשניה

even if they ran for the next 300 million years.

אפילו אם יעבדו יותר מ 300 מליון שנה.

Atomic clocks work because of quantum physics.

שעונים אטומיים עובדים בגלל פיזיקה קוואנטית.

All clocks must have a constant frequency.

לכל השעונים צריכה להיות תדירות קבועה.

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

במילים אחרות, שעון צריך לבצע פעולה חוזרה כלשהי

to mark off equivalent increments of time.

כדי לסמן תוספות קבועות בזמן.

Just as a grandfather clock relies on the constant swinging

ממש כמו ששעון סבא מסתמך על הנדנוד הקבוע

back and forth of a pendulum under gravity,

קדימה אחורה של מטוטלת תחת הכבידה,

the tick tock of an atomic clock

התיקתוק של שעון אטומי

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

נשמר על ידי המעבר בין שני מצבי אנרגיה של אטום.

This is where quantum physics comes into play.

פה נכנסת לתמונה הפיזיקה הקוואנטית.

Quantum mechanics says that atoms carry energy,

מכאניקה קוואנטית אומרת שאטומים נושאים אנרגיה.

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

אבל הם לא יכולים לקחת כמות שרירותית.

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

במקום, אנרגיה אטומית מוגבלת לסט מדוייק של רמות.

We call these quanta.

אנחנו קוראים לאלו קוואנטות.

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

כאנלוגיה פשוטה, חשבו על כניסה עם הרכב לתוך כביש מהיר.

As you increase your speed,

כשאתם מגבירים את המהירות,

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

אתם בדרך כלל מאיצים בהמשכיות מנגיד 30 קילומטר לשעה עד 110 קילומטר לשעה.

Now, if you had a quantum atomic car,

עכשיו, אם היתה לכם מכונית אטומית קוואנטית,

you wouldn't accelerate in a linear fashion.

לא הייתם מאיצים בצורה לינארית.

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

במקום, הייתם קופצים מיידית, או עוברים, ממהירות אחת לשניה.

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

לאטום, כשמעבר מתרחש מרמת אנרגיה אחת לאחרת,

quantum mechanics says

המכאניקה הקוואנטית אומרת

that the energy difference is equal to a characteristic frequency,

שהפרש האנרגיה שווה לתדירות אופיינית,

multiplied by a constant,

מוכפלת בקבוע,

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

בו שינוי האנרגיה שווה למספר, שנקרא קבוע פלאנק,

times the frequency.

כפול התדירות.

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

התדירות האופיינית הזו היא מה שאנחנו צריכים כדי ליצור את השעון שלנו.

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

לוויני GPS מסתמכים עם אטומי צזיום ורובידיום כסטנדרט לתדירות.

In the case of cesium 133,

במקרה של צזיום 133,

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

תדירות השעון האופיינית היא 9,192,631,770 הרץ.

That's 9 billion cycles per second.

זה 9 מיליארד מחזורים בשניה.

That's a really fast clock.

זה שעון ממש מהיר.

No matter how skilled a clockmaker may be,

לא משנה כמה שען מיומן,

every pendulum, wind-up mechanism

כל מטוטלת, מנגנון מתיחה

and quartz crystal resonates at a slightly different frequency.

וגביש קוורץ רוטטים בתדירות מעט שונה.

However, every cesium 133 atom in the universe

עם זאת, כל אטום צזיום 133 ביקום

oscillates at the same exact frequency.

רוטט באותה תדירות בדיוק.

So thanks to the atomic clock,

אז תודות לשעון האטומי,

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

אנחנו מקבלים זמן מדוייק למיליארדית השניה,

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

ומדידה ממש מדוייקת של המרחק מהלווין.

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

בואו נתעלם מהעובדה שאתם כמעט בוודאות על כדור הארץ.

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

אנחנו יודעים עכשיו שאתם במרחק קבוע מהלווין.

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

במילים אחרות, אתם היכן שהוא על פני השטח של כדור

centered around the satellite.

ממורכז סביב הלווין.

Measure your distance from a second satellite

מדדו את המרחק ללווין שני

and you get another overlapping sphere.

ואתם מקבלים מעגל נוסף חופף.

Keep doing that,

המשיכו לעשות את זה,

and with just four measurements,

ועם ארבע מדידות בלבד,

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

ומעט תיקון בשימוש בתורת היחסות של איינשטיין,

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

אתם יכולים למקד את המיקום שלכם לנקודה מדוייקת אחת במרחב.

So that's all it takes:

אז זה כל מה שדרוש:

a multibillion-dollar network of satellites,

רשת של לווינים בשווי מיליארדי דולרים,

oscillating cesium atoms,

אטומי צזיום רוטטים,

quantum mechanics,

מכאניקה קוואנטית,

relativity,

יחסיות,

a smartphone,

סמרטפון,

and you.

ואתכם.

No problem.

אין בעיה.