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

స్మార్ట్ ఫోన్లకు మీరున్న చోటు ఎలా తెలుస్తుంది? - విల్టన్ విర్గో

Translator: Mullapudi Joshi Reviewer: Samrat Sridhara

How does your smartphone know exactly where you are?

మీరు వాడె స్మార్ట్ ఫోన్‍కి ఎలా తెలుసు మీరు ఎక్కడ ఉన్నారో?

The answer lies 12,000 miles over your head

దానికి జవాబు మీ తలపైన 12,000మైళ్ళ దూరంలో ఉంది.

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

Quantum Mechanics తో పనిచేసే అణు గడియారం (Atomic clock), తెలిపే

powered by quantum mechanics.

Phew.

------

Let's break that down.

అదేమిటో చూద్దాం.

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

మొదట satelliteతో ఇప్పుడు ఎంత సమయమో ఎందుకు తెలుసుకోవడం?

when location is what we're concerned about?

మనకి కావలసింది మనం ఉన్న ప్రదేశం అయితే?

The first thing your phone needs to determine

మీ phone చేసే మొదటి పని, మీరు satellite కి

is how far it is from a satellite.

ఎంత దూరంలో ఉన్నారో చెప్పడం.

Each satellite constantly broadcasts radio signals

ప్రతి satellite నిత్యం రేడియో సిగ్నల్స్ ని ప్రసారం చేస్తాయి.

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

అవి కాంతి వేగంతో అంతరిక్షం నుండి ప్రయాణిస్తాయి.

Your phone records the signal arrival time

మీ Phone ఆ signal రావడానికి ఎంత సమయం పట్టిందో

and uses it to calculate the distance to the satellite

లెక్కించి, Satellite నుంచి ఉండే దూరాన్ని కనిపెట్టడం కోసం వాడుతుంది.

using the simple formula, distance = c x time,

దానికి, దూరం = (C)×(సమయం) అనే సూత్రాన్ని వాడుతుంది.

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

ఇక్కడ "C" అంటే కాంతి వేగం, "సమయం" అంటే signal పయాణించడానికి పట్టిన సమయం

But there's a problem.

కాని ఇక్కడ ఒక సమస్య ఉంది.

Light is incredibly fast.

కాంతి చాలా వేగంగా ప్రయాణిస్తుంది.

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

మనం ఒక సెకనుకు దగ్గరగా మాత్రమే సమయాన్ని కొలవగలిగితే,

every location on Earth, and far beyond,

భూమి మీద ఉండే ప్రదేశాలు, లేక అంతకన్నా దూరంగా ఉండేవి,

would seem to be the same distance from the satellite.

satellite నుంచి ఒకే దూరంలో ఉన్నట్టు ఉంటాయి.

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

ఇందువల్ల, దగ్గరలో ఒక 12 అడుగుల వరకు దూరం కొలవాలంటే

we need the best clock ever invented.

మనకి ఇప్పటి వరకు కనిపెట్టిన వాటిలోకల్లా మంచి గడియారం కావాలి.

Enter atomic clocks, some of which are so precise

దీనికే ఎంతో ఖచ్చితమైన అణు గడియారాలను వాడతారు.

that they would not gain or lose a second

వీటిలో ఒక సెకను పెరగటం గాని తరగటం గాని జరగదు

even if they ran for the next 300 million years.

అవి 30 కోట్ల సంవత్సరాలు తిరిగినా కాని

Atomic clocks work because of quantum physics.

Atomic clocks, quantum mechanics సహాయంతో పనిచేస్తాయి.

All clocks must have a constant frequency.

అన్ని గడియారాలకు ఒకటే ఫ్రీక్వెన్సీ ఉండాలి.

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

ఇంకో మాటలో చెప్పాలంటే, ఒక గడియారం ఒకే రకమైన పునరావృత చర్యను పూర్తి చేయాలి,

to mark off equivalent increments of time.

సమయం సమానమైన వృద్ధిలో ఉండాలంటే.

Just as a grandfather clock relies on the constant swinging

మన తాతల కాలం నాటి గడియారాలలో ఏ విధంగా అయితే ఎప్పుడు ముందుకు వెనకకు

back and forth of a pendulum under gravity,

గురుత్వాకర్షణ శక్తి వలన ఊగే లోలకం మీద ఆదరపడతాయో,

the tick tock of an atomic clock

ఒక అణు గడియారము(Atomic clock) యొక్క టిక్ టోక్

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

ఒక అణువు యొక్క రెండు శక్తి స్థాయిలు మధ్య పరివర్తనo ద్వారా నిర్వహించబడుతుంది

This is where quantum physics comes into play.

అందుకే ఇది Quantum Physics లోకి వస్తుంది

Quantum mechanics says that atoms carry energy,

Quantum Mechanics పకారం అణువులో శక్తి ఉంటుంది,

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

కాని వాటిలో ఒక నిర్ణీతమైన శక్తి మాత్రమే ఉంటుంది.

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

బదులుగా, అణుశక్తి స్థాయిలు ఒక ఖచ్చితమైన జతకు పరిమితమయ్యి ఉంటాయి.

We call these quanta.

వీటినే క్వాంటా (quanta) అంటారు.

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

ఇది అర్ధం అవడం కోసం, ఒక ఫ్రీవే మీద కారు డ్రైవింగ్ చేస్తునట్టు ఊహించుకోండి.

As you increase your speed,

మనం వేగం పెంచే కొద్దీ,

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

మీరు సాధారణంగా వేగాన్ని గంటకు20మైళ్ళ నుండి 70మైళ్ళ వరుకు ఏకక్రమముగా పెంచుతారు .

Now, if you had a quantum atomic car,

ఇప్పుడు, మీకు ఒక క్వాంటం అణు కారు ఉంటే ,

you wouldn't accelerate in a linear fashion.

మీరు మునుపటి లాగ ఒక సరళ పద్ధతిలో వేగాన్ని పెంచలేరు.

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

బదులుగా, మీరు ఒక వేగం నుంచి ఇంకో వేగానికి ఒక్కసారిగా వెలిపోతారు.

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

ఒక అణువులో ఒక శక్తి స్తాయి నుంచి ఇంకో శక్తి స్తాయికి వెలితే,

quantum mechanics says

క్వాంటం మెకానిక్స్ ప్రకారం

that the energy difference is equal to a characteristic frequency,

ఆ శక్తి యొక్క తేడా,

multiplied by a constant,

(ఒక సహజమైన ఫ్రీక్వెన్సీ × స్థిరాంకం)కి సమానం.

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

ఇక్కడ ఆ శక్తి యొక్క మార్పు, ప్లాంక్ స్థిరాంకం ("h")కి

times the frequency.

సమానం.

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

ఆ సహజమైన ఫ్రీక్వెన్సీతోనే మన గడియారాన్ని తయారు చేయాలి.

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

GPS ఉపగ్రహాలు సీసియం మరియు రుబీడియం అణువులు ఫ్రీక్వెన్సీ మీద ఆధారపడతాయి .

In the case of cesium 133,

సీసియం 133 లో ,

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

సహజమైన ఫ్రీక్వెన్సీ 9,192,631,770 Hz.

That's 9 billion cycles per second.

అంటే సెకనుకు 9 బిలియన్ సైకిల్సు .

That's a really fast clock.

అది చాలా వేగవంతమైన గడియారం.

No matter how skilled a clockmaker may be,

ఒక మాములు గడియారం చేసేవాడికి ఎంత నైపుణ్యం ఉన్నా,

every pendulum, wind-up mechanism

ప్రతీ పెండులమ్ లో వాడే మూసివేత విధానం,

and quartz crystal resonates at a slightly different frequency.

మరియు క్వార్ట్జ్ క్రిస్టల్ వేరువేరు ఫ్రీక్వెన్సీల వద్ద ప్రతిధ్వనిస్తాయి.

However, every cesium 133 atom in the universe

అయితే, విశ్వంలో ప్రతి సీసియం 133 అణువు

oscillates at the same exact frequency.

అదే ఖచ్చితమైన ఫ్రీక్వెన్సీ వద్ద పనిచేస్తుంది.

So thanks to the atomic clock,

అందుకే అటామిక్ గడియారాన్ని అభినందించాలి,

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

మనకి టైం ఒక సెకనులో లక్ష కోట్లవ వంతు వరకు సరిగ్గా ఇవ్వగలదు.

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

ఆ ఉపగ్రహం నుండి దూరం చాలా ఖచ్చితంగా కొలవగలం.

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

మనం ఖచ్చితముగా భూమి మీద ఉన్నామన్న విషయాన్ని పక్కన పెడితే,

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

మీకు తెలుసు, మీరు ఉపగ్రహం నుండి ఎల్లప్పుడు ఒకే దూరంలో ఉంటారు.

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

ఇంకో మాటలో మీరు ఎక్కడో గోళం ఉపరితలం మీద ఉంటారు.

centered around the satellite.

అది ఉపగ్రహం చుట్టూ కేంద్రీకృతమై ఉంటుంది.

Measure your distance from a second satellite

రెండవ ఉపగ్రహం నుండి మీ దూరం కొలిస్తే,

and you get another overlapping sphere.

మీకు ఇంకో ఉపరితలం వస్తుంది.

Keep doing that,

అలా చేస్తూ వుంటే,

and with just four measurements,

అలా నాలుగు కొలతలతో మరియు,

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

ఐన్స్టీన్ యొక్క సాపేక్ష సిద్ధాంతంతో కొన్ని దిద్దుబాటులు చేస్తే,

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

మీరు ఖచ్చితంగా మీరున్న చోటు అంతరిక్షంలో గుర్తించవచ్చు.

So that's all it takes:

మీకు అవసరమయ్యేవి కేవలం:

a multibillion-dollar network of satellites,

కొన్ని బిలియన్ -డాలర్ ఉపగ్రహాల యొక్క నెట్వర్క్ ,

oscillating cesium atoms,

సీసియం అణువులు,

quantum mechanics,

క్వాంటం మెకానిక్స్,

relativity,

సాపేక్ష సిద్ధాంతం

a smartphone,

ఒక స్మార్ట్ ఫోన్ ,

and you.

మరియు మీరు.

No problem.

అంతే.