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Come fanno gli smartphone a conoscere la nostra posizione esatta ?

Come fa il nostro smartphone a sapere con esattezza la nostra posizione? La risposta si trova a 12mila miglia sopra la nostra testa, in un satellite orbitante che misura il tempo grazie ad un orologio atomico, il quale funziona grazie alla meccanica quantistica. Questo video di Ted-ed ci spiega come avviene tutto ciò.

Innanzitutto, perchè è importante avere un orologio che misuri il tempo su di un satellite se si vuole sapere una posizione? Questo è necessario perchè il nostro cellulare deve sapere quanto lontano è dal satellite. Ogni satellite emette costantemente delle onde radio, che viaggiano dal satellite al nostro telefono alla velocità della luce. Il nostro telefono calcola il ritardo dall’emissione del segnale alla sua ricezione grazie alla semplice forma matematica “distanza=c x tempo” dove “c” è la velocità della luce e “tempo” è l’intervallo di tempo dall’emissione del segnale alla sua ricezione.

C’è un problema: la luce è molto veloce (c=299792458 metri al secondo), se fossimo in grado di calcolare il tempo anche al millesimo di secondo ciascuna località sulla terra e oltre sembrerebbe essere ugualmente distante dal satellite. Per poter calcolare questa distanza con la precisione al metro serve il migliore orologio mai inventato. A questo punto entrano in gioco gli orologi atomici, orologi così precisi che sarebbero in grado di non perdere o guadagnare un singolo secondo da qui a 300 milioni di anni. Questi orologi funzionano grazie alla meccanica quantistica.

Ogni orologio funziona grazie alla ripetizione di azioni ripetitive che avvengono ad un intervallo preciso di tempo che segni incrementi di tempo equivalenti, proprio come un vecchio orologio si basa sulla costante oscillazione di un pendolo. Il pendolo di un orologio atomico avviene grazie alla transizione di un atomo tra due livelli energetici diversi. Secondo la meccanica quantistica gli atomi hanno un certo livello energetico, il quale può aumentare e diminuire. Tuttavia gli atomi non possono raggiungere un qualsiasi livello energetico, piuttosto possono transitare tra livelli ben precisi di energia, chiamati “quanta”.

Per spiegare questo principio, pensate di essere su di un’auto: siete ad una velocità iniziale di 20 km/h e volete arrivare a 70 km/h, quando accelerate l’auto raggiungerà progressivamente i 70km/h passando prima a tutte le velocità intermedie in modo continuo. Se l’auto cambiasse la velocità come gli atomi passano a diversi quanta, questa non accelererebbe da 20 a 70 km/h, piuttosto passerebbe da un istante all’altro da 20 a 70 km/h senza mai trovarsi ad una velocità intermedia. La meccanica quantistica dice che la variazione energetica di un atomo si ottiene moltiplicando la costante di Planck per una specifica frequenza.

Proprio questa caratteristica frequenza è quella che viene utilizzata per far funzionare un orologio atomico. I satelliti GPS utilizzano atomi di Cesio e Rubidio, nel caso del Cesio 133 la frequenza è di 9192631770 Hz, ogni secondo avvengono più di 9 miliardi di cicli, che il nostro orologio atomico è in grado di distinguere. Inoltre, per quanto abile sia un orologiaio, ogni pendolo, molla e cristallo di quarzo venga utilizzato per fare un orologio, questi avranno frequenze leggermente diverse tra di loro, mentre ogni atomo di Cesio 133 nell’intero universo oscilla alla stessa frequenza.

Pertanto, grazie agli orologi atomici ed alla loro precisioni che è oltre il miliardesimo di secondo, è possibile avere misure di distanze estremamente precise su tutta la superficie terrestre. Pertanto assumendo che ci troviamo sulla superficie della terra la combinazione della nostra distanza da solamente 4 satelliti e la conoscenza della loro relativa posizione può permetterci di avere una misura estremamente precisa della nostra posizione sulla terra, previa una leggera correzione in base alla teoria della relatività. Per riassumere, quello che serve al nostro telefono per sapere la nostra posizione non è che una rete di satelliti da svariati milioni di dollari, un orologio atomico, la fisica quantistica, la teoria della relatività, uno smartphone e noi.