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.
De unde știe mobilul tău exact unde ești? Răspunsul este la peste 19.000 kilometri deasupra ta, într-un satelit ce măsoară timpul cu ajutorul unui ceas atomic alimentat de mecanica cuantică. Pfu! Să le luăm pe rând. În primul rând, de ce e atât de important să știm ce oră este pe un satelit când pe noi ne interesează locația? Primul lucru determinat de telefonul tău este stabilirea distanței față de satelit. Fiecare satelit emite constant semnale radio care ajung din spațiu la telefonul tău cu viteza luminii. Telefonul tău înregistrează timpul de sosire a semnalului și îl folosește să calculeze distanța până la satelit, folosind simpla formulă, distanță = v x timp, unde v este viteza luminii și timpul arată cât a călătorit semnalul. Dar este o problemă. Lumina este extrem de rapidă. Dacă am calcula timpul doar în secunde, fiecare locație de pe Pământ, chiar și mult mai departe, ar părea să aibă aceeași distanță de la satelit. Deci, pentru a putea calcula acea distanță cu o eroare de câțiva metri avem nevoie de cel mai bun ceas inventat vreodată. Vorbim, așadar, despre ceasurile atomice, unele fiind atât de precise încât nu pierd sau câștigă nici măcar o secundă chiar dacă ar fi să funcționeze pentru următorii 300 de milioane de ani. Ceasurile atomice funcționează datorită fizicii cuantice. Toate ceasurile trebuie să aibă o frecvență constantă. Altfel spus, un ceas trebuie să efectueze niște acțiuni repetitive ca să delimiteze creșteri echivalente ale timpului. Așa cum un ceas cu pendul se bazează pe o oscilare continuă înainte și înapoi a unui pendul sub gravitație, tic-tacul unui ceas atomic este întreținut de tranziția dintre două niveluri de energie ale unui atom. Aici intră în scenă fizica cuantică. Mecanica cuantică susține că atomii poartă energie, dar ei nu pot prelua orice cantitate arbitrară. În schimb, energia atomică este limitată la un set precis de niveluri. Pe acestea le numim quanta. O analogie simplă ar fi conducerea unei mașini pe o autostradă. Pe măsură ce accelerezi, în mod normal ai merge, să zicem, de la 32 km/oră până la 112 km/oră. Dar dacă ai avea o mașină cuantică atomică, nu ai accelera în mod liniar. În schimb ai sări instantaneu sau ai trece de la o viteză la alta. Pentru un atom, când o tranziție apare de la un nivel de energie la altul, mecanica cuantică spune că diferența de energie este egală cu o frecvență caracteristică înmulțită cu o constantă, unde schimbarea în energie este egală cu un număr numit constanta lui Planck înmulțită cu frecvența. Frecvența caracteristică e cea de care avem nevoie pentru ceasul nostru. Sateliții GPS se bazează pe atomii cesiu și rubidiu ca standarde de frecvență. În cazul cesiului 133, frecvența caracteristică a ceasului este 9,192,631,770 Hz. Asta ar fi 9 miliarde de cicluri pe secundă. Ăsta da ceas rapid. Oricât de priceput ar fi un ceasornicar, fiecare pendul, mecanism de întoarcere și cristalul quartz rezonează la o frecvență puțin diferită. Totuși, fiecare atom de cesiu 133 din univers oscilează la aceeași frecvență. Așadar, mulțumită ceasului atomic, avem o precizie de citire a timpului de până la o miliardime de secundă și o măsurare foarte precisă a distanței de la acel satelit. Hai să ignorăm faptul că ești aproape cu siguranță pe Pământ. Acum știm că ești la o distanță fixă față de satelit. Cu alte cuvinte ești undeva pe suprafața unei sfere situate undeva în jurul satelitului. Măsoară-ți distanța de la un al doilea satelit și vei obține o altă sferă suprapusă. Continuă să faci asta și cu doar patru măsurători și o mică corectare folosind teoria relativității a lui Einstein, poți stabili locația ta exactă la un punct în spațiu. Deci asta e tot ce ai nevoie: o rețea de sateliți de miliarde de dolari, atomi de cesiu oscilanți, mecanică cuantică, relativitate, un smartphone și tu. Nicio problemă.