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

スマートフォンで自分の居場所が分る理由 - ウィルトン L. ヴァーゴ

翻訳: Misaki Sato 校正: Tomoyuki Suzuki

How does your smartphone know exactly where you are?

スマホはどうやって居場所を 正確に計算しているのでしょうか？

The answer lies 12,000 miles over your head

その答えは上空約２万kmを飛んでいる

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

量子力学の原理に従う原子時計によって 時を刻みながら周回する

powered by quantum mechanics.

軌道衛星にあります

Phew.

ふーう

Let's break that down.

説明していきましょう

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

まず 場所を特定するのに

when location is what we're concerned about?

なぜ 衛星の時刻が それほど重要なのでしょうか？

The first thing your phone needs to determine

まず初めにスマホは

is how far it is from a satellite.

衛星との距離を 決定する必要があります

Each satellite constantly broadcasts radio signals

各衛星は常に 光速で伝わる電波信号を

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

宇宙からスマホに向けて送信しています

Your phone records the signal arrival time

スマホは信号の到着時間を記録し

and uses it to calculate the distance to the satellite

距離 = c × 時間という シンプルな公式を使って

using the simple formula, distance = c x time,

衛星までの距離を計算します

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

ｃは光の速度 時間は 信号が到達するまでの時間です

But there's a problem.

しかし ここで問題が生じます

Light is incredibly fast.

光の速度はあまりにも速すぎるのです

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

もし 時間を秒単位で丸めると

every location on Earth, and far beyond,

地球上の各地や そこからはるかに離れた場所ですら

would seem to be the same distance from the satellite.

衛星からすべて同じ距離に あるように見えます

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

つまり 数十メートル単位で 距離の計算を行うには

we need the best clock ever invented.

発明史上最高の時計が必要になるのです

Enter atomic clocks, some of which are so precise

そこで原子時計の登場です これは非常に正確で

that they would not gain or lose a second

今から３億年間動かしたとしても

even if they ran for the next 300 million years.

進みや遅れは１秒にもなりません

Atomic clocks work because of quantum physics.

原子時計は量子力学に従い動きます

All clocks must have a constant frequency.

時計というものは 一定の周期が必要です

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

つまり 時計は時間を区切る 単位を設定するために

to mark off equivalent increments of time.

同じ動きを繰り返す必要があります

Just as a grandfather clock relies on the constant swinging

お爺さんの古時計が 重力の作用のもと

back and forth of a pendulum under gravity,

振り子が一定の間隔で左右に 振れることに依存しているように

the tick tock of an atomic clock

原子時計の場合は １つの原子が持つ

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

２つのエネルギーレベル間の 遷移により維持されているのです

This is where quantum physics comes into play.

ここで量子力学が関わってきます

Quantum mechanics says that atoms carry energy,

量子力学によると原子には エネルギーがあるものの

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

そのエネルギー量は 任意の値をとることはできません

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

原子のエネルギーレベルは 厳密に定められた一連の値に限定されます

We call these quanta.

これを量子と呼びます

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

分かりやすくするため 高速道路で運転しているとしましょう

As you increase your speed,

車のスピードを上げると普通は

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

例えば 時速30kmから連続的に 時速110kmに加速します

Now, if you had a quantum atomic car,

量子力学自動車の場合は

you wouldn't accelerate in a linear fashion.

連続的に加速するのではなく

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

瞬間的に別の速度にジャンプします

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

１つの原子が別のエネルギーレベルに 遷移する時

quantum mechanics says

量子力学によれば

that the energy difference is equal to a characteristic frequency,

このエネルギーの差は 固有周波数に

multiplied by a constant,

ある定数を掛けたものに等しくなります

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

エネルギーの変化分は プランク定数と呼ばれる定数に

times the frequency.

周波数を掛けたものと等しくなります

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

時計にはこの固有周波数が必要です

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

GPS衛星はセシウムやルビジウム原子を 周波数標準とします

In the case of cesium 133,

セシウム133の場合

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

固有周波数は9,192,631,770 Hzで

That's 9 billion cycles per second.

つまり 毎秒90億周期です

That's a really fast clock.

随分と速い時計ですね

No matter how skilled a clockmaker may be,

どんな腕利きの時計職人がいたとしても

every pendulum, wind-up mechanism

振り子時計やネジ巻式時計 クオーツ時計では

and quartz crystal resonates at a slightly different frequency.

どうしても共振にずれが生じます

However, every cesium 133 atom in the universe

しかし セシウム133の原子の固有周波数は

oscillates at the same exact frequency.

どれもまったく同じなのです

So thanks to the atomic clock,

この原子時計のおかげで

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

誤差10億分の１秒の精度で 時間がわかり

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

これで衛星からの 正確な距離がわかります

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

ここで私達は地球上にいるという事を 一旦忘れてみましょう

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

衛星から一定の距離にいることは 分かっています

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

つまり 衛星を中心とする球面上の

centered around the satellite.

どこかにいるという訳です

Measure your distance from a second satellite

２機目の衛星とあなたの距離を測れば

and you get another overlapping sphere.

２つの球面の重なりが得られます

Keep doing that,

これを続けていき

and with just four measurements,

４箇所から測定を行って

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

アインシュタインの相対性理論で 微調整をすると

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

宇宙でのあなたの居場所を 特定できるのです

So that's all it takes:

それに必要なのは:

a multibillion-dollar network of satellites,

数十億ドルもかけた 衛星ネットワーク

oscillating cesium atoms,

振動するセシウム原子

quantum mechanics,

量子力学

relativity,

相対性理論

a smartphone,

スマートフォン

and you.

そして あなたです

No problem.

これで万全です