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

Translator: Hong Ha Nguyen Reviewer: Thai Thao Ton

How does your smartphone know exactly where you are?

Làm thế nào smartphone biết được chính xác bạn đang ở đâu?

The answer lies 12,000 miles over your head

Câu trả lời nằm ở 12,000 dặm phía trên đầu bạn

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

ở 1 vệ tinh quay quanh quỹ đạo

mà có thể giữ thời gian

theo nhịp của đồng hồ nguyên tử

powered by quantum mechanics.

vận hành theo nguyên lý cơ học lượng tử.

Phew.

Phew.

Let's break that down.

Hãy cũng tìm hiểu kỹ hơn.

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

Đầu tiên, tại sao việc xác định thời gian trên một chiếc vệ tinh lại quan trọng

when location is what we're concerned about?

khi điều chúng ta cần quan tâm đến là địa điểm?

The first thing your phone needs to determine

Đầu tiên, điện thoại của bạn cần xác định

is how far it is from a satellite.

là nó đang cách vệ tinh bao xa.

Each satellite constantly broadcasts radio signals

Mỗi vệ tinh liên tục và đều đặn phát ra tín hiệu vô tuyến

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

mà có thể di chuyển trong không gian

đến điện thoại bạn với tốc độ ánh sáng.

Your phone records the signal arrival time

Điện thoại của bạn sẽ ghi lại thời gian đến của tín hiệu

and uses it to calculate the distance to the satellite

để tính toán khoảng cách đến vệ tinh

using the simple formula, distance = c x time,

bằng công thức đơn giản, khoảng cách = c x thời gian,

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

với c là vận tốc ánh sáng,

thời gian chỉ tín hiệu đã đi được bao lâu

But there's a problem.

Nhưng có một vấn đề.

Light is incredibly fast.

Ánh sáng cực kì nhanh.

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

Nếu chúng ta chỉ có thể tính thời gian được đến giây gần nhất,

every location on Earth, and far beyond,

tất cả các vị trí trên Trái Đất, và xa hơn nữa,

would seem to be the same distance from the satellite.

dường như có thể ở cùng một khoảng cách so với vệ tinh.

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

Vì thế để tính khoảng cách trong vài feet,

we need the best clock ever invented.

chúng ta cần chiếc đồng hồ tốt nhất từng được phát minh.

Enter atomic clocks, some of which are so precise

Đến đồng hồ nguyên tử, một vài chiếc quá chính xác

that they would not gain or lose a second

đến độ nó không hề hơn hay kém giây nào

even if they ran for the next 300 million years.

cả khi chạy liên tục 300 triệu năm nữa.

Atomic clocks work because of quantum physics.

Đồng hồ nguyên tử làm việc theo vật lý lượng tử.

All clocks must have a constant frequency.

Mỗi chiếc đồng hồ có một tần số nhất định.

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

Nói cách khác, một chiếc đồng hồng phải lặp đi lặp lại một số việc

to mark off equivalent increments of time.

để đánh dấu những thay đổi tương đương của thời gian.

Just as a grandfather clock relies on the constant swinging

Cũng như chiếc đồng hồ quả lắc vận hành dựa trên dao động đều

back and forth of a pendulum under gravity,

sang hai bên quả lắc,

dưới tác dụng của trọng lực,

the tick tock of an atomic clock

tiếng tích tắc của đồng hồ nguyên tử

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

được bảo toàn bởi sự di chuyển

giữa 2 mức năng lượng của nguyên tử.

This is where quantum physics comes into play.

Đây là lúc cần tìm tìm hiểu về vật lý lượng tử.

Quantum mechanics says that atoms carry energy,

Cơ học lượng tử chỉ ra rằng các nguyên tử đều mang điện tích,

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

nhưng chúng không thể mang một lượng điện tùy ý nào.

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

Thay vào đó, năng lượng nguyên tử được giữ ở những tập hợp xác định của các mức.

We call these quanta.

Những tập hợp này được gọi là các lượng tử

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

Như một cách loại suy đơn giản, hãy nghĩ về việc lái xe vào đường cao tốc.

As you increase your speed,

Khi bạn tăng tốc,

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

thông thường bạn sẽ đi liên tục

từ khoảng 20 dặm/giờ lên 70 dặm/giờ.

Bây giờ, nếu bạn có một chiếc xe nguyên tử lượng tử,

Now, if you had a quantum atomic car,

you wouldn't accelerate in a linear fashion.

bạn sẽ không thể tăng tốc theo cách tuyến tính thông thường.

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

Thay vào đó, bạn phải ngay lập tức nhảy, hoặc di chuyển,

từ vận tốc này đến vận tốc tiếp theo.

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

Đối với một nguyên tử, khi có sự thay đổi giữa các mức năng lượng

quantum mechanics says

cơ học lượng tử chỉ ra rằng,

that the energy difference is equal to a characteristic frequency,

sự chênh lệch ở năng lượng bằng tần số đặc trưng,

multiplied by a constant,

nhân với hằng số,

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

với thay đổi trong năng lượng là một hằng số,

gọi là hằng số Planck,

times the frequency.

nhân với tần số.

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

Tần số đặc trưng đó là thứ chúng ta cần để tạo ra chiếc đồng hồ.

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

Vệ tinh GPS dựa vào nguyên tử Cesi và Rubi

là những tần số chuẩn.

In the case of cesium 133,

Trong trường hợp của Cesi 133,

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

tần số tương đối của đồng hồ là 9,192,631,770 Hz.

That's 9 billion cycles per second.

Điều đó tương đương với 9 tỉ vòng/giây.

Đó là một chiếc đồng hồ chạy rất nhanh.

That's a really fast clock.

No matter how skilled a clockmaker may be,

Dù cho người thợ đồng hồ có chuyên nghiệp đến thế nào,

thì mỗi quả lắc, hay cơ chế lên giây

every pendulum, wind-up mechanism

and quartz crystal resonates at a slightly different frequency.

và tinh thể thạch anh đều chuyển động theo một tần số hơi xê xích nhau.

However, every cesium 133 atom in the universe

Tuy nhiên, mọi nguyên tử Cesi 133 trong vũ trụ này

oscillates at the same exact frequency.

đều dao động ở một tần số chính xác như nhau.

So thanks to the atomic clock,

Vì thế nhờ vào đồng hồ nguyên tử,

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

chúng ta có thể đọc được thời gian đúng đến 1 phần tỉ giây,

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

và có một phép đo chính xác khoảng cách từ vệ tinh.

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

Hãy bỏ qua sự thật là bạn gần như ở ngay trên Trái Đất

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

Chúng ta đều biết

bạn đang ở một khoảng cách xác định từ vệ tinh.

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

Hay nói cách khác,

bạn đang ở đâu đó trên bề mặt của một hình cầu

centered around the satellite.

có tâm ở vệ tinh.

Đo khoảng cách của bạn từ một chiếc vệ tinh khác

Measure your distance from a second satellite

and you get another overlapping sphere.

và bạn sẽ được một hình cầu khác đè lên hình cầu vừa rồi.

Keep doing that,

Tiếp tục làm như thế,

and with just four measurements,

và chỉ với 4 phép đo,

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

và một vài thay đổi dựa trên thuyết tương đối của Einstein,

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

Bạn có thể xác định vị trí của mình tại chính xác 1 điểm trong không gian.

So that's all it takes:

Vậy những gì chúng ta cần là:

a multibillion-dollar network of satellites,

một mạng lưới vệ tinh trị giá hàng tỉ đô la,

oscillating cesium atoms,

nguyên tử Cesi đang dao động,

quantum mechanics,

cơ học lượng tử,

relativity,

thuyểt tương đối,

a smartphone,

một chiếc điện thoại thông minh,

and you.

và chính bạn.

No problem.

Không có vấn đề gì cả.