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

Skąd smartfon wie, gdzie jesteś? – Wilton L. Virgo

Tłumaczenie: Jolanta Dohrmann Korekta: Rysia Wand

How does your smartphone know exactly where you are?

Skąd smartfon wie dokładnie, gdzie się znajdujesz?

The answer lies 12,000 miles over your head

Odpowiedź na to pytanie jest 20 000 km nad nami,

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

w satelicie okołoziemskim, mierzącym czas według zegara atomowego

powered by quantum mechanics.

napędzanego przez mechanikę kwantową.

Phew.

Uf.

Let's break that down.

Jeszcze raz, po kolei.

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

Po pierwsze, czemu trzeba znać dokładny czas na satelicie,

when location is what we're concerned about?

skoro pytamy o miejsce?

The first thing your phone needs to determine

Pierwszą rzeczą, jaką określa telefon,

is how far it is from a satellite.

jest odległość od satelity.

Each satellite constantly broadcasts radio signals

Satelity nieustannie emitują sygnały radiowe.

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

Sygnały lecą do telefonu z prędkością światła.

Your phone records the signal arrival time

Telefon notuje otrzymanie sygnału

and uses it to calculate the distance to the satellite

i przelicza na odległość do satelity

using the simple formula, distance = c x time,

według wzoru: odległość = c x czas,

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

gdzie c to prędkość światła, a czas to długość podróży sygnału.

But there's a problem.

Nie jest to takie proste.

Light is incredibly fast.

Światło jest niezwykle szybkie.

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

Gdyby mierzyć czas tylko z dokładnością do sekundy,

every location on Earth, and far beyond,

z każdego miejsca na Ziemi, a nawet dalej,

would seem to be the same distance from the satellite.

odległość do satelity wyda się taka sama.

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

Żeby obliczyć odległość z precyzją do kilkudziesięciu metrów,

we need the best clock ever invented.

potrzebujemy najlepszego zegara.

Enter atomic clocks, some of which are so precise

Najlepsze są zegary atomowe. Niektóre są tak precyzyjne,

that they would not gain or lose a second

że nie zyskują ani nie tracą ani sekundy,

even if they ran for the next 300 million years.

choćby pracowały przez następne 300 milionów lat.

Atomic clocks work because of quantum physics.

Zegary atomowe opierają się na fizyce kwantowej.

All clocks must have a constant frequency.

Wszystkie zegary pracują ze stałą częstotliwością,

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

czyli muszą powtarzać tę samą czynność,

to mark off equivalent increments of time.

żeby zaznaczyć jednakowy przyrost czasu.

Just as a grandfather clock relies on the constant swinging

Tak, jak działanie zegara stojącego polega na nieustannym ruchu

back and forth of a pendulum under gravity,

wahadła pod wpływem grawitacji,

the tick tock of an atomic clock

tik-tak zegara atomowego

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

polega na zmianie poziomu energii w atomie.

This is where quantum physics comes into play.

Tutaj wchodzi fizyka kwantowa.

Quantum mechanics says that atoms carry energy,

Fizyka kwantowa mówi, że atomy przenoszą energię.

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

Nie dowolną ilość energii, tylko określoną jej porcję.

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

Energia atomowa ogranicza się więc ściśle do konkretnego poziomu.

We call these quanta.

Ilość energii poziomu nazywa się kwantem.

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

Analogicznie, samochód na autostradzie,

As you increase your speed,

gdy zaczyna przyspieszać,

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

płynnie przechodzi z 30 do 110 km/h.

Now, if you had a quantum atomic car,

Samochód poruszany kwantami atomowymi

you wouldn't accelerate in a linear fashion.

nie przyspieszałby w ten sposób.

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

Natychmiast przeskoczyłby z jednej prędkości do następnej.

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

Kiedy atom zmienia poziom energii,

quantum mechanics says

mechanika kwantowa mówi,

that the energy difference is equal to a characteristic frequency,

że różnica w energii równa jest charakterystycznej częstotliwości,

multiplied by a constant,

pomnożonej przez stałą,

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

gdzie zmiana energii równa się ilorazowi liczby zwanej stałą Plancka

times the frequency.

i częstotliwości.

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

Ta częstotliwość jest potrzebna do ustawienia naszego zegara.

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

Satelity GPS używają atomów cezu i rubidu

jako wyznaczników częstotliwości.

W przypadku cezu 133

In the case of cesium 133,

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

częstotliwość zegara wynosi 9 192 631 770 Hz.

That's 9 billion cycles per second.

Czyli 9 miliardów cykli na sekundę.

That's a really fast clock.

Naprawdę szybki zegar.

No matter how skilled a clockmaker may be,

Niezależnie od talentu zegarmistrza,

every pendulum, wind-up mechanism

każde wahadło, mechanizm nakręcany

and quartz crystal resonates at a slightly different frequency.

czy rezonans kwarcowy, będzie pracować z inną częstotliwością.

However, every cesium 133 atom in the universe

Każdy atom cezu 133 we wszechświecie

oscillates at the same exact frequency.

oscyluje z identyczną częstotliwością.

So thanks to the atomic clock,

Dzięki zegarom atomowym

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

czas odczytywany jest z dokładnością do 1 miliardowej sekundy,

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

co daje precyzyjny pomiar odległości do satelity.

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

Pomińmy fakt, że prawie na pewno jesteś na Ziemi.

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

Wiadomo, że jesteś w określonej odległości od satelity.

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

Innymi słowy, jesteś gdzieś na powierzchni kuli

centered around the satellite.

tworzonej przez zasięg promienia satelity.

Measure your distance from a second satellite

Dodając drugi pomiar z innego satelity,

and you get another overlapping sphere.

otrzymamy nakładające się kręgi.

Keep doing that,

Powtarzając pomiary,

and with just four measurements,

przy czwartym wyniku

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

i małej poprawce według teorii względności Einsteina

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

można dokładnie określić swoją pozycję w przestrzeni.

So that's all it takes:

I tak to działa:

a multibillion-dollar network of satellites,

wielomiliardowa sieć satelitów,

oscillating cesium atoms,

oscylujące atomy cezu,

quantum mechanics,

mechanika kwantowa,

relativity,

względność,

a smartphone,

smartfon

and you.

i ty.

No problem.

Nie ma problemu.