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

Como seu smartphone sabe exatamente onde você está? - Wilton L. Virgo

Tradutor: Mercia Costa Revisor: Ruy Lopes Pereira

How does your smartphone know exactly where you are?

Como seu smartphone sabe exatamente onde você está?

The answer lies 12,000 miles over your head

A resposta está a 19 mil km de altura

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

em um satélite que marca o tempo usando um relógio atômico

powered by quantum mechanics.

baseado na mecânica quântica.

Phew.

Ufa!

Let's break that down.

Vamos por partes.

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

Primeiramente, por que é tão importante saber que horas são em um satélite

when location is what we're concerned about?

se estamos interessados na localização?

The first thing your phone needs to determine

Primeiro, seu telefone precisa determinar

is how far it is from a satellite.

a distância entre ele e o satélite.

Each satellite constantly broadcasts radio signals

Cada satélite emite constantemente sinais de rádio

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

que viajam pelo espaço até seu telefone na velocidade da luz.

Your phone records the signal arrival time

Seu telefone registra a hora de chegada do sinal

and uses it to calculate the distance to the satellite

e a utiliza para calcular a distância até o satélite

using the simple formula, distance = c x time,

usando uma fórmula simples: distância = c x tempo,

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

onde "c" é a velocidade da luz e "tempo" é o tempo de viagem do sinal.

But there's a problem.

Mas há um problema.

Light is incredibly fast.

A luz é extremamente rápida.

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

Se só conseguíssemos calcular o tempo com precisão de segundos,

every location on Earth, and far beyond,

todos os lugares na Terra, e muito além,

would seem to be the same distance from the satellite.

pareceriam estar à mesma distância do satélite.

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

Então, para calcular uma diferença de apenas alguns metros de distância,

we need the best clock ever invented.

precisamos do melhor relógio já inventado.

Enter atomic clocks, some of which are so precise

Apresentamos os relógios atômicos. Alguns deles são tão precisos

that they would not gain or lose a second

que não ficariam atrasados nem adiantados nenhum segundo

even if they ran for the next 300 million years.

mesmo que funcionassem pelos próximos 300 milhões de anos.

Atomic clocks work because of quantum physics.

Os relógios atômicos funcionam graças à física quântica.

All clocks must have a constant frequency.

Todos os relógios precisam de uma frequência constante.

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

Ou seja, eles devem realizar uma ação repetitiva

to mark off equivalent increments of time.

para marcar incrementos equivalentes de tempo.

Just as a grandfather clock relies on the constant swinging

Da mesma forma que um relógio antigo depende da constante oscilação

back and forth of a pendulum under gravity,

do pêndulo sob ação da gravidade,

the tick tock of an atomic clock

o tique-taque do relógio atômico

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

é mantido pela transição entre dois níveis de energia de um átomo.

This is where quantum physics comes into play.

É aí que entra a física quântica.

Quantum mechanics says that atoms carry energy,

Segundo a mecânica quântica, os átomos contêm energia

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

mas eles não podem armazenar uma quantidade aleatória.

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

Em vez disso, a energia atômica limita-se a um conjunto definido de níveis.

We call these quanta.

Chamamos isso de quanta.

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

Como analogia, imagine que você está dirigindo um carro em uma estrada.

As you increase your speed,

À medida que você acelera,

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

a velocidade vai gradativamente de 20 km/h a 70 km/h, por exemplo.

Now, if you had a quantum atomic car,

Agora, se você tivesse um carro atômico quântico,

you wouldn't accelerate in a linear fashion.

a aceleração não seria linear.

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

Em vez disso, a transição entre as velocidades seria instantânea.

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

Em um átomo, quando ocorre a transição de um nível de energia para outro,

quantum mechanics says

a mecânica quântica afirma

that the energy difference is equal to a characteristic frequency,

que a diferença entre as energia é igual a uma frequência característica,

multiplied by a constant,

multiplicada por uma constante,

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

onde a variação de energia é igual a um número chamado constante de Planck,

times the frequency.

vezes a frequência.

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

Essa frequência característica é o que precisamos para criar o relógio.

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

Os satélites de GPS usam átomos de césio e de rubídio como padrões de frequência.

In the case of cesium 133,

No caso do césio 133,

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

a frequência característica do relógio é 9.192.631.770 Hz.

That's 9 billion cycles per second.

Ou seja, 9 bilhões de ciclos por segundo.

That's a really fast clock.

É um relógio extremamente rápido.

No matter how skilled a clockmaker may be,

Não importa a habilidade do relojoeiro,

every pendulum, wind-up mechanism

cada pêndulo, mecanismo de corda

and quartz crystal resonates at a slightly different frequency.

e cristal de quartzo gera frequências ligeiramente distintas.

However, every cesium 133 atom in the universe

No entanto, todos os átomos de césio 133 do universo

oscillates at the same exact frequency.

oscilam exatamente na mesma frequência.

So thanks to the atomic clock,

Então, graças ao relógio atômico,

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

conseguimos medir o tempo com precisão de bilionésimos de segundos,

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

e obtemos uma medição bastante precisa da distância em relação ao satélite.

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

Vamos ignorar o fato de que, com certeza, você está na Terra.

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

Já sabemos que você está a uma distância fixa do satélite.

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

Ou seja, você está em algum lugar na superfície de uma esfera

centered around the satellite.

em cujo centro está o satélite.

Measure your distance from a second satellite

Calcule sua distância em relação a outro satélite

and you get another overlapping sphere.

e você obterá outra esfera sobreposta.

Keep doing that,

Siga fazendo isso,

and with just four measurements,

e com apenas quatro medições

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

e pequenas correções baseadas na teoria da relatividade de Einstein,

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

é possível determinar sua localização com absoluta precisão.

So that's all it takes:

Sendo assim, só precisamos de:

a multibillion-dollar network of satellites,

uma rede de satélites de bilhões de dólares,

oscillating cesium atoms,

átomos de césio oscilantes,

quantum mechanics,

mecânica quântica,

relativity,

relatividade,

a smartphone,

um smartphone,

and you.

e você.

No problem.

Bem simples.