كيف يحدد هاتفك الذكي تمامًا مكان وجودك؟ يكمن الجواب على بعد 12000 ميل فوق رؤوسكم داخل قمر صناعي يحافظ على الوقت على وقع ساعة ذرية مدعومة بميكانيكا الكم أوف. لنجزّئ ذلك. أولًا، لماذا من الأهمية بمكان أن تعلم ما هو الوقت على القمر الصناعي عندما يكون الموقع محور اهتمامنا؟ أول أمر يجب على هاتفك تحديده هو بعده عن القمر الصناعي يبثّ كلّ قمر صناعي إشارات لاسلكية تقطع المسافة ما بين الفضاء وجهازك بسرعة الضوء ويسجّل جهازك وقت وصول هذه الإشارة ويستخدمها ليحسب المسافة إلى القمر الصناعي بواسطة المعادلة البسيطة المسافة= س X الزمن حيث (س) هي سرعة الضوء والوقت هو كم قطعت الإشارة من الزمن ولكن هناك مشكلة الضوء سريع على نحو لا يصدق فحتى لو تمكنّا من حساب الوقت إلى أدق ثانية فإن كل موقع على وجه الأرض بل أبعد من هذا سيبدو متساويا من حيث المسافة عن القمر الصناعي لذلك من أجل حساب تلك المسافة في حدود بضعة عشرات من الأقدام نحتاج إلى أفضل ساعة على الإطلاق الساعات الذرية والتي يعتبر بعضها دقيقا جدا إلى درجة أنها لا تزيد أو تقل بمقدار ثانية حتى لو بقيت تعمل على مدار الثلاثمئة مليون سنة القادمة تعمل الساعة الذرية بسبب الفيزياء الكمية لجميع الساعات تردد ثابت بعبارة أخرى، يجب على هذه الساعة أن تقوم ببعض العمل المتكرر لتحديد زيادات متكافئة في الوقت مثلما تعتمد ساعة جدي على تأرجح مستمر لرقاص الساعة للأمام والخلف تحت تأثير الجاذبية إن دقّة الساعة الذرية تستمر من خلال التحول ما بين مستويين في طاقة الذرة هنا يأتي دور الفيزياء الكمية تقول الميكانيكا الكمية بأن الذرات تحمل الطاقة ولكنها لا تقبل فقط أي كمية عشوائيةّ بل تتقيّد الطاقة الذرية في مجموعة دقيقة من المستويات ندعوها بالكمومات كمقارنة بسيطة تخيلوا قيادة سيارة على الطريق السريع عندما تزيد السرعة ستتصاعد باستمرار وبشكل اعتيادي من 20 ميل إلى 70 ميل بالساعة ولكن لو كنت تملك سيارة ذرية كمومية فأنت لن تسرع وفق خطّ مستقيم بل ستقفز على الفور أو تنتقل من سرعة لأخرى بالنسبة للذرة، عندما يحدث الانتقال من مستوى طاقة إلى آخر تخبرنا الميكانيكا الكمية بأن فرق الطاقة يساوي ترددًا محددًا مضروبًا بثابت حيث التغير في الطاقة يساوي عددًا يدعى ثابت بلانك أضعاف التردد ذلك التردد المحدد هو ما نحتاجه لصناعة ساعتنا تعتمد أقمار GPS على ذرات السيزيوم والروبيديوم كمعايير التردد في حالة السيزيوم 133 فإن تردد الساعة المحدد هو 9،192،631،770 هيرتز هذا يكافئ تسعة مليارات دورة في الثانية هذه بالفعل ساعة فائقة السرعة مهما كان صانع الساعة ماهرًا فكل من رقّاص الساعة وآلية الرياح وبلورة الكوارتز يرنّون بتردد مختلف قليلًا ومع ذلك، كل ذرة سيزيوم 133 في الكون تتأرجح على نفس التردد المحدد لذلك شكرًا للساعة الذرية نقرأ الوقت بدقّة تصل إلى واحد في المليار من الثانية وقياس مسافة دقيق جدًا من ذلك القمر لنتجاهل حقيقة بأنك بالتأكيد على الأرض نعلم الآن بأنك تبعد مسافة ثابتة من القمر الصناعي بعبارة أخرى، أنت في مكان ما على سطح كرة تتمحور حول القمر قم بقياس بعدك عن قمر صناعي آخر وستحصل على مجال متداخل آخر استمر في القيام بذلك وبعد أربع محاولات فقط ومع قليل من التصحيح مستخدمًا النظرية النسبية لأينشتاين يمكنك تحديد موقعك الى نقطة واحدة بالضبط في الفضاء إذًا هذا كل ما يتطلبه الأمر شبكة من الأقمار الصناعية بمليارات الدولارات ذرات السيزيوم متأرجحة والميكانيكا الكمية والنسبية وهاتف ذكي وأنت. لا مشكلة.
How does your smartphone know exactly where you are? The answer lies 12,000 miles over your head in an orbiting satellite that keeps time to the beat of an atomic clock powered by quantum mechanics. Phew. Let's break that down. First of all, why is it so important to know what time it is on a satellite when location is what we're concerned about? The first thing your phone needs to determine is how far it is from a satellite. Each satellite constantly broadcasts radio signals that travel from space to your phone at the speed of light. Your phone records the signal arrival time and uses it to calculate the distance to the satellite using the simple formula, distance = c x time, where c is the speed of light and time is how long the signal traveled. But there's a problem. Light is incredibly fast. If we were only able to calculate time to the nearest second, every location on Earth, and far beyond, would seem to be the same distance from the satellite. So in order to calculate that distance to within a few dozen feet, we need the best clock ever invented. Enter atomic clocks, some of which are so precise that they would not gain or lose a second even if they ran for the next 300 million years. Atomic clocks work because of quantum physics. All clocks must have a constant frequency. In other words, a clock must carry out some repetitive action to mark off equivalent increments of time. Just as a grandfather clock relies on the constant swinging back and forth of a pendulum under gravity, the tick tock of an atomic clock is maintained by the transition between two energy levels of an atom. This is where quantum physics comes into play. Quantum mechanics says that atoms carry energy, but they can't take on just any arbitrary amount. Instead, atomic energy is constrained to a precise set of levels. We call these quanta. As a simple analogy, think about driving a car onto a freeway. As you increase your speed, you would normally continuously go from, say, 20 miles/hour up to 70 miles/hour. Now, if you had a quantum atomic car, you wouldn't accelerate in a linear fashion. Instead, you would instantaneously jump, or transition, from one speed to the next. For an atom, when a transition occurs from one energy level to another, quantum mechanics says that the energy difference is equal to a characteristic frequency, multiplied by a constant, where the change in energy is equal to a number, called Planck's constant, times the frequency. That characteristic frequency is what we need to make our clock. GPS satellites rely on cesium and rubidium atoms as frequency standards. In the case of cesium 133, the characteristic clock frequency is 9,192,631,770 Hz. That's 9 billion cycles per second. That's a really fast clock. No matter how skilled a clockmaker may be, every pendulum, wind-up mechanism and quartz crystal resonates at a slightly different frequency. However, every cesium 133 atom in the universe oscillates at the same exact frequency. So thanks to the atomic clock, we get a time reading accurate to within 1 billionth of a second, and a very precise measurement of the distance from that satellite. Let's ignore the fact that you're almost definitely on Earth. We now know that you're at a fixed distance from the satellite. In other words, you're somewhere on the surface of a sphere centered around the satellite. Measure your distance from a second satellite and you get another overlapping sphere. Keep doing that, and with just four measurements, and a little correction using Einstein's theory of relativity, you can pinpoint your location to exactly one point in space. So that's all it takes: a multibillion-dollar network of satellites, oscillating cesium atoms, quantum mechanics, relativity, a smartphone, and you. No problem.