สมาร์ทโฟนของคุณรู้ตำแหน่งที่แน่นอนของคุณได้อย่างไร ?

สิ่งแรกที่มือถือของคุณจะทำคือ ค้นหาว่ามันอยู่ห่างจากดาวเทียมเท่าไร ดาวเทียมแต่ละดวงจะถ่ายทอดสัญญาณออกมา ซึ่งสัญญาณนั้นเดินทางผ่านอวกาศมาที่มือถือของคุณด้วยความเร็วแสง มือถือจะบันทึกข้อมูลของเวลาที่สัญญาณมาถึงเครื่อง และใช้มันเพื่อคำนวณระยะทางที่ห่างจากดาวเทียม โดยใช้สูตรง่ายๆ คือ

ระยะทาง = C x เวลา

ซึ่ง C จะเป็นค่าของความเร็วแสง และ เวลาคือช่วงเวลาที่สัญญาณใช้ในการเดินทางมา 

แต่ปัญหาคือ แสงมีความเร็วมาก C= 299,792,458 ไมล์ต่อ 1 วินาที ถ้าเราสามารถคำนวณเวลาในช่วงเกือบ 1 วินาทีได้ นั่นคือทุกตำแหน่งที่อยู่บนโลก และตำแหน่งที่ไกลออกไปนอกโลก ดูเหมือนว่าจะมีระยะห่างที่เท่ากันจากดาวเทียมดวงเดียวกัน ดังนั้นเพื่อที่จะคำนวณหาระยะทางของดาวเทียม เราต้องใช้นาฬิกาที่เยี่ยมที่สุดเท่าที่เคยประดิษฐ์มา

นาฬิกาอะตอมมีความเที่ยงตรงสูงมาก ซึ่งมันไม่มีการเดินช้าหรือเดินเร็วไปแม้เพียงวินาทีเดียว ถึงแม้มันจะบอกเวลาต่อไปอีก 300 ล้านปี มันทำงานได้เพราะกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งนาฬิกาทั้งหมดต้องมีความถี่ของคลื่นไมโครเวฟที่สม่ำเสมอกัน นาฬิกาจะสร้างปฏิกิริยาซ้ำๆบางอย่างเพื่อดูความสมมูล ของอุปกรณ์ที่บอกเวลา เช่นเดียวกับนาฬิกาสมัยโบราณที่ต้องอาศัยการแกว่งไปมาอย่างสม่ำเสมอของลูกตุ้มที่ถ่วงอยู่ด้านล่าง

การเดินของนาฬิกาอะตอมถูกรักษาไว้โดยการส่งผ่านพลังงานระหว่าง 2 ระดับของอะตอม ซึ่งทำให้ฟิสิกส์ควอนตัมเข้ามามีบทบาทในเรื่องนี้ กลศาสตร์ควอนตัมกล่าวว่าอะตอมบรรทุกพลังงานไว้ แต่มันไม่สามารถนำพาไปทั่วทุกวงโคจร พลังงานอะตอมจะถูกจำกัดให้อยู่ในระดับชั้นที่จัดไว้แล้ว เราเรียกสิ่งนี้ว่า ควอนต้า (Quanta) ซึ่งเป็นรูปพหูพจน์ของควอนตัม 

ถ้าเปรียบเทียบแบบง่ายๆ ลองนึกถึงการขับรถยนตร์คันหนึ่งออกไปบนถนน เมื่อเราจะเร่งความเร็ว โดยปกติ จากความเร็ว 20 กิโลเมตร/ชั่วโมง และเร่งไปจนถึง 70 กิโลเมตร/ชั่วโมง ถ้าคุณมีรถยนตร์อะตอมควอนตัม คุณจะไม่ต้องเหยียบคันเร่งไปยาวๆแบบที่ทำกัน แต่รถคุณจะกระโดดไป หรือ ส่งผ่านจากความเร็วระดับหนึ่ง ไปสู่อีกระดับในทันที

สำหรับอะตอม เมื่อมีการส่งผ่านพลังงานจากระดับหนึ่ง ไปสู่อีกระดับเกิดขึ้น กลศาสตร์ควอนตัมกล่าวว่า ความแตกต่างของพลังงานจะเท่ากับ ลักษณะของคลื่นความถึ่ คูณด้วย ค่าคงตัว เมื่อการเปลี่ยนแปลงของพลังงาน =
ตัวเลขที่เรียกว่า ค่าคงตัวของพลังค์ x ความถึ่คลื่น

คุณลักษณะของความถี่คลื่นนั้น คือสิ่งเราต้องการเพื่อนำมาทำนาฬิกา ดาวเทียมของGPS อาศัยอะตอมของซีเซียม (caesium) และ รูบิเดียม (rubidium) เพราะมาตราฐานของคลื่นความถี่ ในกรณีของ ซีเซียม 133 คุณสมบัติของคลื่นความถี่ของนาฬิกา คือ 9,192,631,770 เฮิรตซ์ นั่นคือ 9 ล้านรอบ ต่อ 1 วินาที มันเป็นนาฬิกาที่เดินเร็วมาก ไม่ว่าช่างทำนาฬิกาจะมีความชำนาญแค่ไหน ทุกการแกว่งตัวของลูกตุ้มไขลานระบบกลไก และผลึกควอทซ์ ให้เกิดความถี่พ้องที่ต่างกันเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ทุกอะตอมของซีเซียม133 ในจักรวาลนี้ เร่งที่ความถี่เดียวกัน ขอบคุณนาฬิกาอะตอม ที่ทำให้เราสามารถได้เวลาที่อ่านได้อย่างถูกต้องแม่นยำ ภายใน 1พันล้าน ต่อ 1 วินาที และการวัดค่าระยะห่างของดาวเทียมที่มีความแน่นอน

ตอนนี้เรารู้ว่าเราได้ระยะทางที่ห่างจากดาวเทียมดวงแรก พูดอีกแง่คือ ถ้าเราอยู่ที่ใดที่หนึ่งบนโลก ซึ่งยังอยู่ในรัศมีทรงกลมที่มีจุดศูนย์กลางที่ดาวเทียมดวงแรก เมื่อวัดระยะห่างจากดาวเทียมดวงที่ 2 เราจะได้พื้นที่ทรงกลมของดาวเทียมทั้ง2 ดวง ซึ่งรัศมีของทั้งคู่จะคาบเกี่ยวกันอยู่ เมื่อทำเช่นนั้นไปเรื่อยๆกับดาวเทียมดวงอื่นๆ เพียงแค่การวัดระยะห่างของดาวเทียม 4 ดวง และความถูกต้องที่ใช้จากทฤษฎีสัมพันธภาพ ( relativity theory)ของไอน์สไตน์ รัศมีของทรงกลม 4 วงที่คาบเกี่ยวกัน จะสามารถชี้จุดตำแหน่งที่เราอยู่ ได้ 1 จุด 

นี่คือทั้งหมดที่ต้องใช้ในการหาตำแหน่งของคุณ:

-ดาวเทียมราคาหลายพันล้านเหรียญ
-อะตอมของซีเซียม133
-กลศาสตร์ควอนตัม
-ทฤษฎีสัมพันธภาพ
-สมาร์ตโฟน
-และคุณ

ที่มา: TED-Ed
เรียบเรียง: SignorScience