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

Kaip išmanieji telefonai nustato jūsų vietą? | Wilton L. Virgo | TED-Ed

Translator: Gintare Vilkelyte Reviewer: Andrius Družinis-Vitkus

How does your smartphone know exactly where you are?

Kaip jūsų išmanieji tiksliai nustato kur esate?

The answer lies 12,000 miles over your head

Atsakymas slypi 19 312 km virš jūsų galvų,

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

orbitos palydove, kuris kvantinės mechanikos pagalba

powered by quantum mechanics.

susieja laiką su atominio laikrodžio tiksėjimu.

Phew.

(Atodūsis)

Let's break that down.

Panagrinėkime.

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

Pirmiausia, kodėl taip svarbu žinoti, koks laikas yra palydove

when location is what we're concerned about?

kai mus domina lokacija?

The first thing your phone needs to determine

Pirmas dalykas, kurį turi nustatyti telefonas,

is how far it is from a satellite.

tai kaip toli jis yra nuo palydovo.

Each satellite constantly broadcasts radio signals

Kiekvienas palydovas pastoviai transliuoja signalus,

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

kurie iš kosminės erdvės, šviesos greičiu, atkeliauja į jūsų telefonus.

Your phone records the signal arrival time

Jūsų telefonas įrašo signalo gavimo laiką

and uses it to calculate the distance to the satellite

ir naudoja jį nustatyti atstumui iki palydovo,

using the simple formula, distance = c x time,

pasitelkiant paprastą formulę: atstumas = c × laikas,

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

kur c yra šviesos greitis, o laikas parodo per kiek laiko signalas atkeliavo.

But there's a problem.

Bet yra problema.

Light is incredibly fast.

Šviesos greitis neįtikėtinai didelis.

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

Jei mes gebėtume suskaičiuoti laiką tik sekundės tikslumu,

every location on Earth, and far beyond,

visos vietos žemėje ir dar toliau

would seem to be the same distance from the satellite.

atrodytų nutolusios nuo palydovo tokiu pačiu atstumu.

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

Taigi, kad nustatytume tą atstumą kelių dešimčių kilometrų tikslumu,

we need the best clock ever invented.

mums reikia geriausio kada nors išrasto laikrodžio.

Enter atomic clocks, some of which are so precise

Štai įžengia atominiai laikrodžiai, kai kurie tokie tikslūs,

that they would not gain or lose a second

kad nepridėtų ir neatimtų nė sekundės,

even if they ran for the next 300 million years.

net jei veiktų dar 300 milijonų metų.

Atomic clocks work because of quantum physics.

Atominiai laikrodžiai veikia dėl kvantinės fizikos.

All clocks must have a constant frequency.

Visi jie turi turėti pastovų dažnį.

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

Kitaip tariant, laikrodis turi pakartotinai atlikti veiksmus,

to mark off equivalent increments of time.

kad pažymėtų ekvivalenčius laiko žingsnelius.

Just as a grandfather clock relies on the constant swinging

Taip pat kaip senelio laikrodis remiasi pastoviu švytuoklės judėjimu

back and forth of a pendulum under gravity,

pirmyn ir atgal, pagal gravitaciją,

the tick tock of an atomic clock

atominio laikrodžio tiksėjimas palaikomas

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

judėjimo tarp dviejų atomo energijos lygių.

This is where quantum physics comes into play.

Štai kur pasirodo kvantinė fizika.

Quantum mechanics says that atoms carry energy,

Kvantinė mechanika teigia, kad atomai laiko energiją,

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

bet jie negali jos turėti kiek panorėję.

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

Atominė energija gali būti tik keleto preciziškai nustatytų lygių.

We call these quanta.

Mes juos vadiname kvantais.

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

Palyginimui, galvokite kaip įvažiuojate į greitkelį.

As you increase your speed,

Didintumėte greitį nuo,

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

sakykime, 30 km/h iki 110 km/h.

Now, if you had a quantum atomic car,

O jeigu turėtumėte kvantinę atomų mašiną,

you wouldn't accelerate in a linear fashion.

nedidintumėte greičio nuosekliai.

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

Vietoj to, staigiai peršoktumėte iš vieno greičio į kitą.

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

Atomui keičiantis iš vieno energijos lygio į kitą,

quantum mechanics says

kvantinė mechanika teigia,

that the energy difference is equal to a characteristic frequency,

kad energijos skirtumas lygus

multiplied by a constant,

dažnio sandaugai su pastoviu dydžiu,

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

o energijos pakitimas lygus skaičiui, vadinamam Planko konstanta,

times the frequency.

jį padauginus iš dažnio.

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

Tas dažnis ir yra tai ko mums reikia atominiam laikrodžiui.

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

GPS palydovai naudoja cezio ir rubidžio atomus kaip dažnio standartus.

In the case of cesium 133,

Cezio 133 atveju,

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

charakteristinis laikrodžio dažnis yra 9 192 631 770 hercų.

That's 9 billion cycles per second.

Tai 9 milijardai apsisukimų per sekundę.

That's a really fast clock.

Tai tikrai greitas laikrodis.

No matter how skilled a clockmaker may be,

Nesvarbu koks įgudęs bebūtų laikrodininkas,

every pendulum, wind-up mechanism

kiekviena švytuoklė, apsisukimų mechanizmas

and quartz crystal resonates at a slightly different frequency.

ir kvarco kristalas rezonuoja šiek tiek skirtingu dažniu.

However, every cesium 133 atom in the universe

Kaip bebūtų, kiekvienas cezio 133 atomas visatoje

oscillates at the same exact frequency.

virpa tokiu pačiu dažniu.

So thanks to the atomic clock,

Taigi, atomonio laikrodžio dėka,

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

laiką nustatome 1 milijardosios sekundės tikslumu

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

ir atstumą nuo palydovo nustatome labai tiksliai.

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

Ignoruokim faktą, kad tikriausiai esate žemėje.

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

Mes žinome, kad esate nustatytu atstumu nuo palydovo.

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

Kitaip tariant, esate kažkur ant sferos paviršiaus,

centered around the satellite.

kuris gaubia palydovą.

Measure your distance from a second satellite

Pamatuokite atstumą nuo savęs iki kito palydovo

and you get another overlapping sphere.

ir gausite dar vietą sutampančią sferą.

Keep doing that,

Darykite tai toliau

and with just four measurements,

ir jau po keturių pamatavimų

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

ir nedidelės korekcijos pagal Einšteino reliatyvumo teoriją,

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

galėsite tiksliai nustatyti savo lokaciją erdvėje.

So that's all it takes:

Taigi štai ko reikia:

a multibillion-dollar network of satellites,

multi-milijardinės vertės palydovų tinklų,

oscillating cesium atoms,

virpančių cezio atomų,

quantum mechanics,

kvantinės mechanikos,

relativity,

reliatyvumo,

a smartphone,

išmaniojo telefono

and you.

ir tavęs.

No problem.

Tai tiek.