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

스마트폰은 어떻게 여러분의 위치를 알까요? - 윌튼 L. 버고(Wilton L. Virgo)

번역: JongEok Yang 검토: Jeong-Lan Kinser

How does your smartphone know exactly where you are?

어떻게 스마트폰은 여러분이 어디 있는지 정확하게 아는 걸까요?

The answer lies 12,000 miles over your head

그 답은 바로 여러분의 머리 위 12,000마일 떨어진 인공위성에서

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

공전하며 양자역학의 힘으로 원자시계의 리듬으로 시간을 맞추는 데 있습니다.

powered by quantum mechanics.

Phew.

휴~! 어렵네요. 좀 더 쉽게 풀어봅시다.

Let's break that down.

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

우선, 왜 인공위성의 시간을 아는것이

우리가 관심있는 위치를 알고자 할 때 왜 그렇게 중요할까요?

when location is what we're concerned about?

The first thing your phone needs to determine

먼저 여러분의 스마트폰이 결정해야 하는 것은

is how far it is from a satellite.

인공위성으로부터의 거리입니다.

Each satellite constantly broadcasts radio signals

각각의 인공위성은 끊임없이 라디오 신호를 보내고 있고,

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

그 신호는 빛의 속도로 여러분의 폰에 전달되죠.

Your phone records the signal arrival time

그 폰은 신호 도착시간을 기록하고요, 이것으로 인공위성과의 거리를 계산하죠.

and uses it to calculate the distance to the satellite

using the simple formula, distance = c x time,

간단한 공식을 이용합니다. '거리=C x 시간'

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

이때 C는 빛의 속도이고, 시간은 신호가 도착하는데 걸린 시간입니다.

But there's a problem.

하지만 문제가 하나 있는데, 빛이 엄청나게 빠르다는거죠.

Light is incredibly fast.

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

우리가 아무리 시간을 초단위에 가장 가깝게 계산할 수 있다 할 지라도

every location on Earth, and far beyond,

지구의 모든 위치, 혹은 지구 밖에서도

would seem to be the same distance from the satellite.

인공위성에서의 거리는 아마 같게 될 것입니다.

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

그래서, 거리를 피트 단위로 계산하기 위해서

we need the best clock ever invented.

우리는 그동안 발명된 것 중에서 최고의 시계를 사용해야 합니다.

자, '원자시계' 등장합니다.

Enter atomic clocks, some of which are so precise

어떤것은 아주 정밀해서,

that they would not gain or lose a second

앞으로 심지어 3억년이 흘러도 단 1초의 오차도 없습니다.

even if they ran for the next 300 million years.

원자시계는 양자물리학으로 움직입니다.

Atomic clocks work because of quantum physics.

All clocks must have a constant frequency.

모든 시계는 반드시 지속적으로 일정한 주기를 갖고있어야 하는데요,

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

다른 말로하면, 시계는 어떤 반복되는 작업을 수행해서

to mark off equivalent increments of time.

동일한 시간의 증가분을 표시해야 합니다.

Just as a grandfather clock relies on the constant swinging

마치 할아버지의 시계가

중력에 의해 지속적으로 왔다갔다하는 시계추에 의존하는 것처럼,

back and forth of a pendulum under gravity,

the tick tock of an atomic clock

원자시계의 '똑딱'은

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

한 원자의 두 에너지 레벨 사이의 전이에 의해 유지됩니다.

This is where quantum physics comes into play.

이 지점이 바로 양자물리학이 들어와 작용하는 지점이죠.

양자역학에서는 원자가 에너지를 갖고 있다고 말합니다.

Quantum mechanics says that atoms carry energy,

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

그러나 임의적으로 아무렇게나 에너지량을 갖을 수는 없다고 하죠.

대신, 원자에너지는 정밀한 수준으로 한정되어 있는데,

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

We call these quanta.

우리는 이것을 '양자' 라 합니다.

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

간단한 비유로, 고속도로를 달리는 자동차를 생각 해 보세요.

As you increase your speed,

여러분이 속도를 올림에 따라,

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

아마, 보통 시속 20마일에서 최고 70마일 정도로 주행할 겁니다.

Now, if you had a quantum atomic car,

이제, 만약 양자 원자 자동차가 있다고 해 봅시다.

you wouldn't accelerate in a linear fashion.

여러분은 아마 죽, 직선적으로 가속되지는 않을 겁니다.

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

대신, 한 속도에서 그 다음 속도로 확 뛰어넘거나 '전이'될 겁니다.

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

원자에서는 한 에너지 레벨에서 다른 에너지로 전이가 일어날 때,

quantum mechanics says

양자역학에서 말하길,

that the energy difference is equal to a characteristic frequency,

에너지 편차 = 고유진동수 x 상수 라고 합니다.

multiplied by a constant,

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

에너지의 변화는 '플랑크 상수'라고하는 숫자 곱하기 진동수 라는거죠.

times the frequency.

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

그 고유진동수가 바로 우리가 시계를 만들 때 필요로 하는 겁니다.

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

GPS위성은 표준진동으로 세슘과 루비듐원자를 쓰는데,

In the case of cesium 133,

세슘 133의 경우, 시계 고유진동수는 9,192,631,770Hz입니다.

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

That's 9 billion cycles per second.

바로, 초당 9십억 회전이란 겁니다. 정말 빠른 시계인거죠.

That's a really fast clock.

No matter how skilled a clockmaker may be,

제 아무리 기술좋다는 시계공이라 할지라도,

every pendulum, wind-up mechanism

모든 시계추, 태엽방식, 수정방식 진동자라도,

and quartz crystal resonates at a slightly different frequency.

공진함에 있어 약간의 진동편차가 있게 마련입니다.

However, every cesium 133 atom in the universe

하지만 우주상의 모든 세슘133원자는,

oscillates at the same exact frequency.

정확한 주기로 진자운동을 합니다.

So thanks to the atomic clock,

그래서 고맙게도 원자시계 덕분에

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

우리는 10억분의 1초까지 정확하게 시간을 읽을 수 있고

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

아주 정밀하게 인공위성으로부터의 거리를 측정할 수 있습니다.

여러분이 거의 지구에 있다는 사실에서 '아주 확실하게'를 무시해 봅시다.

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

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

이제 여러분이 인공위성으로부터 고정된 거리에 있다는 걸 알았습니다.

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

달리 말하면, 여러분은 지구 표면의 어딘가에

centered around the satellite.

인공위성의 중심에 자리 잡고 있다는 거예요.

Measure your distance from a second satellite

두번째 위성으로부터 거리를 측정하면 지구에 겹치는 또 한부분을 알게 되죠.

and you get another overlapping sphere.

Keep doing that,

계속 그렇게 하다가 네번째 측정에서,

and with just four measurements,

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

아인슈타인의 상대성이론으로 약간의 수정과정을 거치면,

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

정확하게 여러분이 위치한 한 지점을 짚어낼 수 있게됩니다.

So that's all it takes:

그게 필요한 전부입니다.

a multibillion-dollar network of satellites,

수십억달러짜리 인공위성 네트워크,

oscillating cesium atoms,

세슘원자의 진자운동, 양자역학, 상대성이론, 스마트폰,

quantum mechanics,

relativity,

a smartphone,

and you.

그리고 여러분이 있는 거죠.

No problem.

문제없어요!