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

Hoe weet je smartphone waar je bent? - Wilton L. Virgo

Vertaald door: Rik Delaet Nagekeken door: Christel Foncke

How does your smartphone know exactly where you are?

Hoe weet je smartphone precies waar je bent?

The answer lies 12,000 miles over your head

Het antwoord ligt op 19.000 km boven je hoofd

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

in ronddraaiende satelliet die de tijd bijhoudt met een atoomklok

powered by quantum mechanics.

op basis van kwantummechanica.

Phew.

Oef.

Let's break that down.

Hoe gaat dat?

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

Waarom moet een satelliet de tijd zo precies kennen

when location is what we're concerned about?

als het om plaatsbepaling gaat?

The first thing your phone needs to determine

Je telefoon moet ten eerste bepalen

is how far it is from a satellite.

hoe ver het is tot aan de satelliet.

Each satellite constantly broadcasts radio signals

Elke satelliet zendt voortdurend radiosignalen uit.

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

Met de snelheid van het licht komen die vanuit de ruimte naar jouw telefoon.

Your phone records the signal arrival time

Je telefoon registreert de aankomsttijd van het signaal

and uses it to calculate the distance to the satellite

en berekent daarmee de afstand tot aan de satelliet

using the simple formula, distance = c x time,

met behulp van de eenvoudige formule: afstand = c x t,

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

waarbij c de snelheid van het licht is

en t de tijd hoe lang het signaal onderweg was.

Maar er is een probleem.

But there's a problem.

Light is incredibly fast.

Licht is ongelooflijk snel.

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

Als we slechts een fout van 1 seconde zouden maken,

every location on Earth, and far beyond,

dan zou elke plaats op aarde, en ver daarbuiten,

would seem to be the same distance from the satellite.

even ver van de satelliet lijken.

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

Om de afstand te berekenen tot op enkele meter nauwkeurig,

we need the best clock ever invented.

moeten we de beste klok hebben die ooit is uitgevonden.

Enter atomic clocks, some of which are so precise

Dus atoomklokken, waarvan sommige zo precies zijn

that they would not gain or lose a second

dat ze er op 300 miljoen jaar

even if they ran for the next 300 million years.

minder dan 1 seconde naast zouden zitten.

Atomic clocks work because of quantum physics.

Atoomklokken werken op basis van kwantumfysica.

All clocks must have a constant frequency.

Alle klokken moeten een constante frequentie hebben.

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

Met andere woorden, een klok moet een bepaalde repetitieve actie verrichten

to mark off equivalent increments of time.

om de tijd in even grote stukjes te verdelen.

Just as a grandfather clock relies on the constant swinging

Net zoals een slingerklok gebaseerd is op een constante slingerbeweging

back and forth of a pendulum under gravity,

van een slinger door zwaartekracht,

the tick tock of an atomic clock

wordt de tiktak van een atoomklok

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

constant gehouden door de overgang tussen twee energieniveaus van een atoom.

This is where quantum physics comes into play.

Dit is waar de kwantumfysica op de proppen komt.

Quantum mechanics says that atoms carry energy,

Kwantummechanica zegt dat atomen energie kunnen bevatten,

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

maar niet zomaar een willekeurige hoeveelheid.

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

Die energie is beperkt tot een precieze set van niveaus.

We call these quanta.

Die noemen we kwanta.

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

Denk aan het besturen van een auto op een snelweg.

As you increase your speed,

Als je je snelheid wil verhogen,

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

kan je geleidelijk gaan van, zeg, 30 km/h tot 100 km/h.

Now, if you had a quantum atomic car,

Zou je met een ‘kwantumauto’ rijden,

you wouldn't accelerate in a linear fashion.

zou je niet geleidelijk kunnen versnellen.

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

Je zou bijvoorbeeld ineens van 30 naar 100 springen.

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

Als een atoom van een energieniveau naar een ander gaat,

quantum mechanics says

zegt de kwantummechanica

that the energy difference is equal to a characteristic frequency,

dat het energieverschil overeenkomt met een karakteristieke frequentie

multiplied by a constant,

vermenigvuldigd met een constante,

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

de zogenaamde constante van Planck, h.

times the frequency.

Dus: h maal de frequentie.

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

Die karakteristieke frequentie hebben we nodig voor onze klok.

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

Gps-satellieten steunen op cesium- en rubidiumatomen als frequentiestandaard.

In the case of cesium 133,

Bij cesium-133

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

is de karakteristieke klokfrequentie 9.192.631.770 hertz.

That's 9 billion cycles per second.

Ongeveer 9 miljard cycli per seconde.

That's a really fast clock.

Die klok ‘tikt’ wel erg snel.

No matter how skilled a clockmaker may be,

Hoe vaardig een klokkenmaker ook kan zijn,

every pendulum, wind-up mechanism

elke slinger, veermechanisme

and quartz crystal resonates at a slightly different frequency.

of kwartskristal trilt met een iets andere frequentie.

However, every cesium 133 atom in the universe

Maar elk cesium-133 atoom in het heelal

oscillates at the same exact frequency.

trilt met exact dezelfde frequentie.

So thanks to the atomic clock,

Dankzij de atoomklok krijgen we de tijd

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

tot op 1 miljardste seconde nauwkeurig.

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

En daarmee een zeer nauwkeurige meting van de afstand tot die satelliet.

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

Laten we even vergeten dat je bijna zeker op aarde bent.

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

We kennen nu je afstand tot de satelliet.

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

Met andere woorden, je bent ergens

centered around the satellite.

op het oppervlak van een bolvlak rond de satelliet.

Measure your distance from a second satellite

Meet de afstand tot een tweede satelliet

and you get another overlapping sphere.

en je krijgt een andere overlappende bol.

Keep doing that,

Doorgaan,

and with just four measurements,

en met slechts vier metingen,

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

en een kleine correctie met behulp van Einsteins relativiteitstheorie,

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

bepaal je je locatie op één specifiek punt in de ruimte.

So that's all it takes:

Dus dat is alles wat nodig is:

a multibillion-dollar network of satellites,

een miljarden kostend netwerk van satellieten,

oscillating cesium atoms,

trillende cesium-atomen,

quantum mechanics,

kwantummechanica,

relativity,

relativiteit,

a smartphone,

een smartphone,

and you.

en jij.

No problem.

Dat is het hele eiereneten.