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.
Akıllı telefonunuz tam olarak nerede olduğunuzu nasıl biliyor? Cevap başınızın 19,312 km üstünde kuantum mekaniği ile çalışan bir atomik saatin atışlarıyla zamanı belirleyen bir uydudadır. Huh. Daha detaylı bakalım. Öncelikle, yerimizi öğrenmek istediğimizde, uyduda zamanın ne olduğu neden bu kadar önemli? İlk önce telefonunuzun uydudan ne kadar uzakta olduğunu bilmesi gerekiyor. Her bir uydu sürekli olarak uzaydan telefonunuza ışık hızında giden radyo sinyalleri yollar. Telefonunuz sinyalin geldiği zamanı kaydeder ve uyduyla arasındaki mesafesi hesaplamak için kullanır. Bunun için şu basit formülü kullanır, Mesafe= c x zaman, burada c ışık hızı ve zamanda sinyalin seyahat etme süresidir. Fakat bir sorun var. Işık son derece hızlıdır. Eğer biz sadece en yakın ikinci saniyeyi hesaplayabilseydik. Dünya üzerindeki her nokta, ve daha ötesi, uyduya aynı uzaklıktaymış gibi gözükürdü. Bu mesafeyi birkaç metreyle hesaplayabilmek için, icat edilmiş en iyi saate ihtiyacımız var. Atomik saatler, bazıları o kadar hassastır ki 300 milyon yıl çalışsalar bile bir saniye ileri gitmezler veya geride kalmazlar. Atomik saatler kuantum fiziği sayesinde çalışır. Bütün saatlerin sabit bir frekansı olmalıdır. Yani bir saat, zaman artışını belirleyebilmek için sürekli bir devinim gerçekleştirmelidir. Tıpkı ayaklı duvar saatlerinde sarkacın yer çekimi etkisinde ileri geri salınımıyla çalıştığı gibi, bir atomik saatin tik takı da bir atomdaki iki enerji seviyesinde geçişlerle sağlanır. Burası kuantum fiziğinin oyuna dahil olduğu yerdir. Kuantum mekaniği der ki; atomlar enerji taşır, fakat rastgele miktarlarda taşımazlar. Bunun yerine, atomik enerji belirli seviye gruplarıyla sınırlandırılmıştır. Bunlara quanta denir. Basit bir benzetme olarak, bir arabayla yol aldığınızı düşünün. Hızınız artırdıkça, Normal olarak 30 km/saat'ten 110 km/saat'e aralıksız olarak çıkarsınız. Şimdi, eğer kuantum atomik arabanız olsaydı, doğrusal şekilde ivmelenemezdiniz. Bunun yerine, aniden zıplardınız, veya geçerdiniz, bir hızdan diğerine. Bir atomda, bir enerji seviyesinden diğerine geçiş olduğu zaman, kuantum mekaniği der ki; bu enerji değişimi karakteristik bir frekansa eşittir, bir sabitle çarpılmış, burada enerjideki değişim eşittir, Planck sabiti denilen sayı çarpı frekanstır. Bu karakteristik frekansa, saatimizi oluştururken kullanırız. GPS uyduları sezyum ve rubidyum atomlarının frekanslarını standart alır. sezyum 133'ün karakteristik saat frekansı 9,192,631,770 Hz'tir. Bu da 1 saniyede 9 milyar çevrim demektir. Gerçekten çok hızlı bir saat. Saatçinin ne kadar yetenekli olduğunu önemli değil, her sarkaç, kurma mekanizması ve quartz kristalleri az da olsa farklı frekansta salınırlar. Buna rağmen, evrendeki bütün sezyum 133 atomları tam olarak aynı frekansta salınırlar. Böylece atomik saat sayesinde, zamanı saniyenin milyarda biri hassasiyetle, ve uydudan olan mesafeyi de çok hassas bir şekilde belirleyebiliyoruz. Hemen hemen kesinlikle dünyada olduğunuzu ihmal edelim. Uydudan sabit bir uzaklıkta olduğunuzu biliyoruz. Yani, merkezinde uydunun bulunduğu kürenin yüzeyinin bir yerindesiniz. Mesafeniz ikinci bir uydudan da ölçülür ve örtüşen başka bir küredesinizdir. Böyle devam eder, dört ölçüm sonucunda, ve Einstein'ın izafiyet teorisi kullanılarak yapılan küçük bir düzeltme ile, Uzaydaki yerinizi bir nokta olarak kesin bir şekilde belirleyebilirsiniz. Bütün bunlar düşünüldüğünde: milyar dolarlık uydu bağlantısı, sezyum atomunun salınımı, kuantum mekaniği, izafiyet, akıllı telefon ve siz.