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

Переводчик: Angelina Ageenko Редактор: Anastasiya Storozhko

How does your smartphone know exactly where you are?

Как смартфон узнаёт ваше точное местоположение?

The answer lies 12,000 miles over your head

Ответ кроется на высоте 19 300 км над вашей головой

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

в орбитальном спутнике, который сверяет время по атомным часам,

powered by quantum mechanics.

идущим по законам квантовой механики.

Phew.

Фух.

Let's break that down.

Давайте разберёмся.

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

Но почему же так важно знать, сколько времени на спутнике,

when location is what we're concerned about?

когда нас интересует местоположение?

The first thing your phone needs to determine

Первое, что должен определить телефон, —

is how far it is from a satellite.

это расстояние до спутника.

Each satellite constantly broadcasts radio signals

Каждый спутник постоянно передаёт радиосигналы,

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

поступающие из космоса в телефон со скоростью света.

Your phone records the signal arrival time

Телефон фиксирует время принятия сигнала

and uses it to calculate the distance to the satellite

и использует его для расчёта расстояния до спутника

using the simple formula, distance = c x time,

c помощью простой формулы: Расстояние = С х Время,

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

где С — скорость света, а время — это время, пройденное сигналом.

But there's a problem.

Но вот в чём проблема —

Light is incredibly fast.

скорость света невероятно велика.

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

Если можно было бы рассчитывать время с точностью только до секунды,

every location on Earth, and far beyond,

то каждая точка на Земле и за её пределами

would seem to be the same distance from the satellite.

казалась бы на одинаковом расстоянии от спутника.

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

Так, для того, чтобы рассчитать расстояние в пределах нескольких метров,

we need the best clock ever invented.

потребуются самые точные часы в мире.

Enter atomic clocks, some of which are so precise

Некоторые атомные часы настолько точны,

that they would not gain or lose a second

что они не отстанут и не будут спешить ни на одну секунду,

even if they ran for the next 300 million years.

даже если они будут идти в течение следующих 300 миллионов лет.

Atomic clocks work because of quantum physics.

Атомные часы работают по законам квантовой физики.

All clocks must have a constant frequency.

У всех часов есть постоянная частота.

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

Другими словами, часы должны выполнять повторяющееся действие,

to mark off equivalent increments of time.

чтобы отмерять равные приращения времени.

Just as a grandfather clock relies on the constant swinging

Так же как и старинные часы полагались на движение маятника

back and forth of a pendulum under gravity,

под действием силы гравитации,

the tick tock of an atomic clock

работа атомных часов

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

осуществляется за счёт перехода между двумя энергетическими уровнями атома.

This is where quantum physics comes into play.

Тут-то и потребуется квантовая физика.

Quantum mechanics says that atoms carry energy,

В квантовой механике атомы обладают энергией,

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

но они не могу поглощать её случайное количество.

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

Атомная энергия ограничена определёнными уровнями.

We call these quanta.

Это называется квантом.

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

Простая аналогия: автомобиль двигается по шоссе.

As you increase your speed,

C увеличением скорости

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

машина постепенно разгоняется, скажем, с 30 км/ч до 110 км/ч.

Now, if you had a quantum atomic car,

Если бы это была квантовая атомная машина,

you wouldn't accelerate in a linear fashion.

то она бы не разгонялась по прямой.

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

Вместо этого она бы двигалась скачками с одной скорости на следующую.

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

При переходе атома с одного энергетического уровня на другой

quantum mechanics says

в квантовой механике

that the energy difference is equal to a characteristic frequency,

разница энергий перехода равна частоте,

multiplied by a constant,

умноженной на постоянную,

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

где изменения энергии равны числу, названному постоянной Планка,

times the frequency.

помноженному на частоту.

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

Как раз эта частота нужна для создания часов.

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

Стандартами частоты в GPS-спутниках являются цезий и рубидий.

In the case of cesium 133,

Так, частота цезия-133

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

составляет 9 192 631 770 герц,

That's 9 billion cycles per second.

а это 9 миллиардов циклов в секунду.

That's a really fast clock.

Действительно быстрые часы.

No matter how skilled a clockmaker may be,

Неважно, насколько искусен часовщик,

every pendulum, wind-up mechanism

каждый маятниковый, заводной

and quartz crystal resonates at a slightly different frequency.

и кварцевый механизмы резонируют на немного различной частоте.

However, every cesium 133 atom in the universe

Однако каждый атом цезия-133 во вселенной

oscillates at the same exact frequency.

колеблется с одинаковой частотой.

So thanks to the atomic clock,

Так, благодаря атомным часам,

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

мы можем узнать время с точностью до 1 миллиардной секунды

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

и получить очень точные измерения расстояния от спутника.

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

Забудем пока тот факт, что вы, скорее всего, находитесь на Земле.

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

Известно, что вы находитесь на определённом расстоянии от спутника.

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

Другими словами, вы на поверхности сферы,

centered around the satellite.

центром которой является спутник.

Measure your distance from a second satellite

При измерении расстояния с другого спутника

and you get another overlapping sphere.

получается другая, частично наложенная на первую сферу.

Keep doing that,

Продолжим,

and with just four measurements,

и всего лишь после четырёх измерений

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

и небольших исправлений по теории относительности Эйнштейна,

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

ваше местоположение можно определить с точностью до одной точки в пространстве.

So that's all it takes:

Для этого всего лишь требуется

a multibillion-dollar network of satellites,

сеть спутников, стоимость в несколько миллиардов долларов,

oscillating cesium atoms,

осциллирующие атомы цезия,

quantum mechanics,

квантовая механика,

relativity,

теория относительности,

a smartphone,

смартфон

and you.

и вы.

No problem.

Всего-то.