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

โทรศัพท์สมาร์ทโฟนของคุณ รู้ตำแหน่งของคุณได้อย่างไร ? - Wilton L. Virgo

Translator: Pakawat Wongwaiyut Reviewer: Rawee Ma

How does your smartphone know exactly where you are?

โทรศัพท์สมาร์ทโฟนของคุณ รู้ตำแหน่งของคุณได้อย่างไร ?

The answer lies 12,000 miles over your head

คำตอบนั้นอยู่บนระยะทางกว่า 12,000 ไมล์ เหนือศีรษะของคุณ

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

ในดาวเทียมที่โครจร และใช้นาฬิกาอะตอมนับเวลา

powered by quantum mechanics.

ซึ่งใช้หลักการของกลศาสตร์ควอนตัม

Phew.

อู้ว!

Let's break that down.

มาลงรายละเอียดกัน

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

เริ่มแรกสุด ทำไมมันจึงสำคัญ กับการต้องรู้เวลาที่อยู่บนดาวเทียม

when location is what we're concerned about?

ในเมื่อตำแหน่งนั้น มันขึ้นอยู่กับเรา ?

The first thing your phone needs to determine

ข้อแรก โทรศัพท์ของคุณต้องค้นหา

is how far it is from a satellite.

ว่ามันอยู่ห่างจากดาวเทียมไกลแค่ไหน

Each satellite constantly broadcasts radio signals

แต่ละดาวเทียมจะปล่อย สัญญาณวิทยุตลอดเวลา

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

มันเดินทางจากในอวกาศ ถึงโทรศัพท์ของคุณ ด้วยความเร็วแสง

Your phone records the signal arrival time

โทรศัพท์จะบันทึก ณ เวลาที่สัญญาณมาถึง

and uses it to calculate the distance to the satellite

และใช้มันคำนวนระยะห่างจากดาวเทียม

using the simple formula, distance = c x time,

โดยใช้สูตรคำนวนง่ายๆ ระยะทาง = c x เวลา

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

โดยที่ c คือความเร็วของแสง และเวลา คือนานเท่าไรที่สัญญาณใช้เดินทาง

But there's a problem.

แต่มันก็เกิดปัญหา

Light is incredibly fast.

แสงนั้นมีความเร็วมหาศาล

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

ถ้าเราเราใช้แค่การคำนวน เวลาที่ใกล้เคียงวินาทีนี้

every location on Earth, and far beyond,

ทุกตำแหน่งบนโลก หรือไกลกว่านั้น

would seem to be the same distance from the satellite.

จะต้องมีระยะห่างที่เท่ากัน จากดาวเทียมเป็นแน่

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

ดังนั้นการคำนวนระยะห่าง ในระยะทางที่ไม่มากนี้

we need the best clock ever invented.

เราต้องการนาฬิกาที่เยี่ยมที่สุดเท่าที่เคยสร้าง

Enter atomic clocks, some of which are so precise

นำไปสู่นาฬิกาอะตอม ที่ซึ่งมีความแม่นยำสูง

that they would not gain or lose a second

พวกมันไม่เร็วหรือช้าไปซักวินาทีเดียว

even if they ran for the next 300 million years.

แม้มันจะต้องทำงาน ไปอีก 300ล้านปีก็ตาม

Atomic clocks work because of quantum physics.

นาฬิกาอะตอมทำงานได้ เพราะควอนตัมฟิสิกส์

All clocks must have a constant frequency.

ทุกๆ ตัวจะต้องมีความถี่คงที่ตลอด

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

พูดอีกอย่างคือ นาฬิกาจะต้อง มีการกระทำซ้ำๆ

to mark off equivalent increments of time.

ที่จะไม่ทำให้มีการเพิ่มขึ้นของเวลา

Just as a grandfather clock relies on the constant swinging

เหมือนกับที่นาฬิกาลูกตุ้ม มีการแกว่งตลอดเวลา

back and forth of a pendulum under gravity,

กลับไปกลับมาภายใต้แรงโน้มถ่วง

the tick tock of an atomic clock

เสียงติ๊ก ต๊อก ของนาฬิกาอะตอม

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

นั้นขึ้นอยู่กับการส่งผ่าน พลังงานระหว่างกันในอะตอม

This is where quantum physics comes into play.

จุดนี้เองที่ควอนตัมฟิสิกส์ เข้ามามีบทบาท

Quantum mechanics says that atoms carry energy,

ในกลศาสตร์ควอนตัม อะตอมนั้นมีพลังงาน

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

แต่มันก็ไม่สามารถ มีปริมาตรอะไรก็ได้

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

พลังงานในอะตอม จะมีระดับที่เที่ยงตรงของมันเอง

We call these quanta.

เราเรียกสิ่งนี้ว่า ควอนต้า

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

หรือจะเปรียบๆ ง่าย ให้คิดถึงการขับรถบนทางด่วน

As you increase your speed,

ณ จุดที่คุณเร่งความเร็ว

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

โดยปกติความเร็วของคุณจะเพิ่มอย่างต่อเนื่อง จาก 20 ไมล์/ชม. สู่ 70 ไมล์/ชม.

Now, if you had a quantum atomic car,

แล้วตอนนี้ ถ้าคุณมีรถควอนตัมอะตอม

you wouldn't accelerate in a linear fashion.

คุณไม่สามารถเพิ่มความเร็ว ได้ในแบบปกติ

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

แต่ คุณจะกระโดดข้าม หรือเปลี่ยน จากความเร็วหนึ่ง ไปอีกอันหนึ่ง

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

สำหรับอะตอม เมื่อมันเปลี่ยน ระดับพลังงานไปยังอีกระดับ

quantum mechanics says

ทางกลศาสตร์ควอนตัมแล้ว

that the energy difference is equal to a characteristic frequency,

พลังงานที่ต่างกันนี้ มันก็คือความถี่จำเพาะ

multiplied by a constant,

คุณด้วยค่าคงที่

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

จุดที่พลังงานเปลี่ยนแปลง เท่ากับ จำนวนค่าคงที่ของพลังค์

times the frequency.

คูณด้วยความถี่

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

ความถี่จำเพาะนี้เอง ที่เราต้องการเพื่อใช้สร้างนาฬิกา

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

ดาวเทียม GPS ใช้อะตอมของซีเซียม และ รูบิเดียมเป็นความถี่พื้นฐาน

In the case of cesium 133,

ในกรณีของ ซีเซียม 133

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

ความถี่นาฬิกาจำเพาะ มีค่า 9,192,631,770 เฮิรตซ์

That's 9 billion cycles per second.

หรือกว่า 9 พันล้านรอบต่อวินาที

That's a really fast clock.

นั่นเป็นนาฬิกาที่รวดเร็วมาก

No matter how skilled a clockmaker may be,

ไม่สำคัญว่าความสามารถ ของคนสร้างนาฬิกาจะเป็นแบบไหน

every pendulum, wind-up mechanism

ทุกลูกตุ้มแกว่ง หรือการทำงานของกลไก

and quartz crystal resonates at a slightly different frequency.

และ การสะท้อนของผลึกควอทซ์ มันจะมีความถี่ที่แตกต่างกันเล็กน้อย

However, every cesium 133 atom in the universe

แต่ทว่าซีเซียม 113 ทุกๆ ตัวในจักรวาล

oscillates at the same exact frequency.

มีการสั่นตัวด้วยความถี่ที่เหมือนกัน

So thanks to the atomic clock,

ดังนั้นต้องขอบคุณนาฬิกาอะตอม

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

พวกเราสามารถอ่านเวลาได้อย่างถูกต้อง ใน 1พันล้านส่วนของวินาที

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

และมีความแม่นยำในระยะห่าง จากดาวเทียมสูง

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

เรามามองข้ามความจริงที่ว่า คุณอยู่บนโลกแน่ๆ

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

ตอนนี้เรารู้ระยะห่างที่แน่นอนของคุณ จากดาวเทียม

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

พูดอีกแบบคือ คุณอยู่ที่ไหนซักที่ บนพื้นผิวของทรงกลม

centered around the satellite.

ซึ่งมีดาวเทียมเป็นจุดศูนย์กลาง

Measure your distance from a second satellite

คำนวนระยะห่างของคุณจากดาวเทียมอีกดวง

and you get another overlapping sphere.

และคุณก็ได้ทรงกลมซ้อนทับอีกอัน

Keep doing that,

ทำแบบนี้ซ้ำอีก

and with just four measurements,

และด้วยการวัดสี่ค่า

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

พร้อมด้วยการแก้ไขเล็กน้อย โดยใช้ทฤษฏีสัมพันธภาพของไอสไตน์

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

คุณก็สามารถชี้ตำแหน่งของคุณเอง ได้ตรงกับจุดที่คุณอยู่

So that's all it takes:

แล้วนี่ก็คือทั้งหมดที่ต้องใช้

a multibillion-dollar network of satellites,

เครือข่ายดาวเทียม มูลค่าหลายพันล้านดอลล่าร์

oscillating cesium atoms,

การสั่นของอะตอมซีเซียม

quantum mechanics,

กลศาสตร์ควอนตัม

relativity,

สัมพันธภาพ

a smartphone,

โทรศัพท์สมาร์ทโฟน

and you.

และก็ตัวคุณ

No problem.

ไม่มีปัญหา