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.
โทรศัพท์สมาร์ทโฟนของคุณ รู้ตำแหน่งของคุณได้อย่างไร ? คำตอบนั้นอยู่บนระยะทางกว่า 12,000 ไมล์ เหนือศีรษะของคุณ ในดาวเทียมที่โครจร และใช้นาฬิกาอะตอมนับเวลา ซึ่งใช้หลักการของกลศาสตร์ควอนตัม อู้ว! มาลงรายละเอียดกัน เริ่มแรกสุด ทำไมมันจึงสำคัญ กับการต้องรู้เวลาที่อยู่บนดาวเทียม ในเมื่อตำแหน่งนั้น มันขึ้นอยู่กับเรา ? ข้อแรก โทรศัพท์ของคุณต้องค้นหา ว่ามันอยู่ห่างจากดาวเทียมไกลแค่ไหน แต่ละดาวเทียมจะปล่อย สัญญาณวิทยุตลอดเวลา มันเดินทางจากในอวกาศ ถึงโทรศัพท์ของคุณ ด้วยความเร็วแสง โทรศัพท์จะบันทึก ณ เวลาที่สัญญาณมาถึง และใช้มันคำนวนระยะห่างจากดาวเทียม โดยใช้สูตรคำนวนง่ายๆ ระยะทาง = c x เวลา โดยที่ c คือความเร็วของแสง และเวลา คือนานเท่าไรที่สัญญาณใช้เดินทาง แต่มันก็เกิดปัญหา แสงนั้นมีความเร็วมหาศาล ถ้าเราเราใช้แค่การคำนวน เวลาที่ใกล้เคียงวินาทีนี้ ทุกตำแหน่งบนโลก หรือไกลกว่านั้น จะต้องมีระยะห่างที่เท่ากัน จากดาวเทียมเป็นแน่ ดังนั้นการคำนวนระยะห่าง ในระยะทางที่ไม่มากนี้ เราต้องการนาฬิกาที่เยี่ยมที่สุดเท่าที่เคยสร้าง นำไปสู่นาฬิกาอะตอม ที่ซึ่งมีความแม่นยำสูง พวกมันไม่เร็วหรือช้าไปซักวินาทีเดียว แม้มันจะต้องทำงาน ไปอีก 300ล้านปีก็ตาม นาฬิกาอะตอมทำงานได้ เพราะควอนตัมฟิสิกส์ ทุกๆ ตัวจะต้องมีความถี่คงที่ตลอด พูดอีกอย่างคือ นาฬิกาจะต้อง มีการกระทำซ้ำๆ ที่จะไม่ทำให้มีการเพิ่มขึ้นของเวลา เหมือนกับที่นาฬิกาลูกตุ้ม มีการแกว่งตลอดเวลา กลับไปกลับมาภายใต้แรงโน้มถ่วง เสียงติ๊ก ต๊อก ของนาฬิกาอะตอม นั้นขึ้นอยู่กับการส่งผ่าน พลังงานระหว่างกันในอะตอม จุดนี้เองที่ควอนตัมฟิสิกส์ เข้ามามีบทบาท ในกลศาสตร์ควอนตัม อะตอมนั้นมีพลังงาน แต่มันก็ไม่สามารถ มีปริมาตรอะไรก็ได้ พลังงานในอะตอม จะมีระดับที่เที่ยงตรงของมันเอง เราเรียกสิ่งนี้ว่า ควอนต้า หรือจะเปรียบๆ ง่าย ให้คิดถึงการขับรถบนทางด่วน ณ จุดที่คุณเร่งความเร็ว โดยปกติความเร็วของคุณจะเพิ่มอย่างต่อเนื่อง จาก 20 ไมล์/ชม. สู่ 70 ไมล์/ชม. แล้วตอนนี้ ถ้าคุณมีรถควอนตัมอะตอม คุณไม่สามารถเพิ่มความเร็ว ได้ในแบบปกติ แต่ คุณจะกระโดดข้าม หรือเปลี่ยน จากความเร็วหนึ่ง ไปอีกอันหนึ่ง สำหรับอะตอม เมื่อมันเปลี่ยน ระดับพลังงานไปยังอีกระดับ ทางกลศาสตร์ควอนตัมแล้ว พลังงานที่ต่างกันนี้ มันก็คือความถี่จำเพาะ คุณด้วยค่าคงที่ จุดที่พลังงานเปลี่ยนแปลง เท่ากับ จำนวนค่าคงที่ของพลังค์ คูณด้วยความถี่ ความถี่จำเพาะนี้เอง ที่เราต้องการเพื่อใช้สร้างนาฬิกา ดาวเทียม GPS ใช้อะตอมของซีเซียม และ รูบิเดียมเป็นความถี่พื้นฐาน ในกรณีของ ซีเซียม 133 ความถี่นาฬิกาจำเพาะ มีค่า 9,192,631,770 เฮิรตซ์ หรือกว่า 9 พันล้านรอบต่อวินาที นั่นเป็นนาฬิกาที่รวดเร็วมาก ไม่สำคัญว่าความสามารถ ของคนสร้างนาฬิกาจะเป็นแบบไหน ทุกลูกตุ้มแกว่ง หรือการทำงานของกลไก และ การสะท้อนของผลึกควอทซ์ มันจะมีความถี่ที่แตกต่างกันเล็กน้อย แต่ทว่าซีเซียม 113 ทุกๆ ตัวในจักรวาล มีการสั่นตัวด้วยความถี่ที่เหมือนกัน ดังนั้นต้องขอบคุณนาฬิกาอะตอม พวกเราสามารถอ่านเวลาได้อย่างถูกต้อง ใน 1พันล้านส่วนของวินาที และมีความแม่นยำในระยะห่าง จากดาวเทียมสูง เรามามองข้ามความจริงที่ว่า คุณอยู่บนโลกแน่ๆ ตอนนี้เรารู้ระยะห่างที่แน่นอนของคุณ จากดาวเทียม พูดอีกแบบคือ คุณอยู่ที่ไหนซักที่ บนพื้นผิวของทรงกลม ซึ่งมีดาวเทียมเป็นจุดศูนย์กลาง คำนวนระยะห่างของคุณจากดาวเทียมอีกดวง และคุณก็ได้ทรงกลมซ้อนทับอีกอัน ทำแบบนี้ซ้ำอีก และด้วยการวัดสี่ค่า พร้อมด้วยการแก้ไขเล็กน้อย โดยใช้ทฤษฏีสัมพันธภาพของไอสไตน์ คุณก็สามารถชี้ตำแหน่งของคุณเอง ได้ตรงกับจุดที่คุณอยู่ แล้วนี่ก็คือทั้งหมดที่ต้องใช้ เครือข่ายดาวเทียม มูลค่าหลายพันล้านดอลล่าร์ การสั่นของอะตอมซีเซียม กลศาสตร์ควอนตัม สัมพันธภาพ โทรศัพท์สมาร์ทโฟน และก็ตัวคุณ ไม่มีปัญหา