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

Como é que um Smartphone sabe a nossa localização? — Wilton L. Virgo

Tradutor: Paulo Caldeira Revisora: Margarida Ferreira

How does your smartphone know exactly where you are?

Como é que o nosso Smartphone sabe exatamente onde estamos?

The answer lies 12,000 miles over your head

A resposta está a 19 000 km de altura

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

num satélite que regula as horas por um relógio atómico

powered by quantum mechanics.

impulsionado pela mecânica quântica

Phew.

Ufa!

Let's break that down.

Vejamos por partes.

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

Primeiro, porque é tão importante saber que horas são num satélite,

when location is what we're concerned about?

quando aquilo que nos preocupa é a localização?

A primeira coisa que o nosso telefone precisa de determinar

The first thing your phone needs to determine

is how far it is from a satellite.

é a que distância ele se encontra de um satélite.

Each satellite constantly broadcasts radio signals

Cada satélite emite permanentemente sinais de rádio

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

que viajam do espaço para o nosso telefone, à velocidade da luz.

Your phone records the signal arrival time

O nosso telefone regista o tempo de chegada do sinal

and uses it to calculate the distance to the satellite

e usa-o para calcular a distância até ao 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.

em que c é a velocidade da luz e o tempo a duração da viagem do sinal.

Mas há um problema.

But there's a problem.

Light is incredibly fast.

A luz é incrivelmente rápida.

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

Se só pudéssemos calcular a hora até ao segundo,

every location on Earth, and far beyond,

todos os locais na Terra, e para além dela,

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,

Portanto, para calcular essa distância num raio de poucos metros,

we need the best clock ever invented.

precisamos do melhor relógio jamais inventado.

Enter atomic clocks, some of which are so precise

Entram aqui os relógios atómicos, alguns dos quais são tão precisos

that they would not gain or lose a second

que não se adiantam nem atrasam um segundo

even if they ran for the next 300 million years.

mesmo que estejam a trabalhar durante os próximos 300 milhões de anos.

Atomic clocks work because of quantum physics.

Os relógios atómicos funcionam com base na física quântica.

All clocks must have a constant frequency.

Todos os relógios têm que ter uma frequência constante.

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

Por outras palavras, um relógio tem que ter uma ação repetitiva

to mark off equivalent increments of time.

para distinguir incrementos equivalentes de tempo.

Just as a grandfather clock relies on the constant swinging

Tal como o relógio de caixa alta depende do balançar constante

back and forth of a pendulum under gravity,

de um lado para o outro, de um pêndulo sob a força da gravidade,

the tick tock of an atomic clock

o tique-taque de um relógio atómico

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 aqui que entra em ação a física quântica.

Quantum mechanics says that atoms carry energy,

A mecânica quântica diz que os átomos contêm energia,

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

mas não podem conter qualquer quantidade arbitrária.

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

A energia atómica está forçada a um conjunto preciso de níveis.

We call these quanta.

Chamamos-lhe "quanta".

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

Numa analogia simples, pensem em guiar um carro numa autoestrada.

As you increase your speed,

Quando aumentamos a velocidade

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

passamos gradualmente, por exemplo, de 30km/hora para 100 km/hora.

Now, if you had a quantum atomic car,

Mas, se tivermos um carro atómico quantum,

you wouldn't accelerate in a linear fashion.

não aceleraremos de modo linear.

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

Saltamos instantaneamente de uma velocidade para a outra.

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

A mecânica quântica diz que, num átomo,

quando ocorre uma transição de um nível de energia para outro,

quantum mechanics says

that the energy difference is equal to a characteristic frequency,

a diferença de 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,

em que a mudança de energia é igual a um número, chamado constante de Planck,

times the frequency.

o tempo vezes a frequência.

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

É desta frequência característica que precisamos para fazer o nosso relógio.

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

Os satélites GPS dependem dos átomos de césio e 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 de nove mil milhões, cento e noventa e dois milhões,

seiscentos e trinta e um mil, setecentos e setenta Hz.

That's 9 billion cycles per second.

Ou seja 9000 milhões de ciclos por segundo.

That's a really fast clock.

É um relógio realmente rápido.

No matter how skilled a clockmaker may be,

Por mais habilidoso que seja um relojoeiro,

every pendulum, wind-up mechanism

cada mecanismo de pêndulo, de corda, de cristal de quartzo

and quartz crystal resonates at a slightly different frequency.

funciona a uma frequência ligeiramente diferente.

However, every cesium 133 atom in the universe

Mas todos os átomos de césio 133 do universo

oscillates at the same exact frequency.

oscilam à mesma frequência, exatamente.

So thanks to the atomic clock,

Portanto, graças ao relógio atómico,

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

temos uma leitura rigorosa do tempo até a um mil-milionésimo de segundo

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

e uma medição muito precisa da distância a esse satélite.

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

Ignoremos o facto de que estamos, com certeza, na Terra.

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

Sabemos agora que estamos a uma distância fixa do satélite.

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

Por outras palavras, estamos algures na superfície duma esfera

centered around the satellite.

centrada em volta do satélite.

Measure your distance from a second satellite

Medimos a nossa distância em relação a um segundo satélite

and you get another overlapping sphere.

e obtemos outra esfera sobreposta.

Keep doing that,

Continuemos a fazer isso, e apenas com quatro medições

and with just four measurements,

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

e uma pequena correção, usando a teoria da relatividade de Einstein,

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

podemos assinalar a nossa localização exatamente num ponto no espaço.

So that's all it takes:

Portanto, basta termos:

a multibillion-dollar network of satellites,

uma rede de satélites de muitos milhares de milhões de dólares,

oscillating cesium atoms,

átomos de césio a oscilar,

quantum mechanics,

mecânica quântica,

relativity,

relatividade,

a smartphone,

um Smartphone

and you.

e nós.

No problem.

É simples.