スマートフォンはどのように位置を知るのか？

要約

本記事では、スマートフォンが地球を周回する衛星からの信号を使用してユーザーの位置を計算する方法について説明しています。また、スマートフォンが衛星との距離を計算する方法や、正確な位置を決定するために原子時計がなぜ重要なのかについても説明しています。さらに、原子時計を支配する量子力学の概念や、正確な周波数測定が時間を正確に測定するためにどのように重要であるかについても探求しています。GPS衛星がセシウムとルビジウムの原子を使用している方法や、ユーザーの正確な位置を決定するために4つの異なる信号がどのように使用されるかについても説明しています。

はじめに
スマートフォンはどのように衛星との距離を計算するのか？
スマートフォンの位置を決定するために原子時計がなぜ重要なのか？
原子時計における量子力学の意義
衛星はどのように原子時計を使用して機能するのか？
GPS衛星はどのように機能するのか？
4つの信号を使用して位置を決定する方法
アインシュタインの相対性理論が位置の決定にどのように役立つのか？
スマートフォンとGPS衛星の関係
結論

はじめに

あなたのスマートフォンがあなたの位置を知っているのは、原子時計によって駆動される量子力学によって時間を刻む周回衛星のおかげです。この記事では、複雑な衛星と量子物理学の働きについて掘り下げ、スマートフォンが正確に私たちの位置を把握する方法を説明します。

スマートフォンはどのように衛星との距離を計算するのか？

衛星は常に無線信号を放送しており、その信号は光速で宇宙からスマートフォンに送信されます。スマートフォンが信号を受信すると、信号到着時間を記録して、距離を計算するための式、距離＝光速×時間を使用します。この時間計算が正確でなければ、地球上のすべての場所が衛星から同じ距離にあるように見えてしまいます。

スマートフォンの位置を決定するために原子時計がなぜ重要なのか？

原子時計は時間を正確に計測するために必要です。原子時計は量子力学の原理に基づいて動作し、原子が2つのエネルギーレベル間を遷移することによって、等価な時間の増分を数えるための反復的な動作によって一定の周波数を生成します。原子のチック・トックのエネルギーレベル間の遷移は、量子力学からの正確なエネルギーレベル制約によるものです。エネルギーの増減は、特性周波数にプランク定数を乗じたものと等しく、原子時計を非常に正確にする要因となっています。

原子時計における量子力学の意義

量子力学は、原子が持つエネルギーが特定の制約に従うことを示しています。原子は、任意の量を取ることができない特定のエネルギーレベルを持っています。同様に、原子が1つのエネルギーレベルから別のエネルギーレベルに遷移するとき、それは徐々に増減するのではなく、瞬時にジャンプします。2つの隣り合うエネルギーレベル間のこれらのジャンプによって、原子時計が機能するための周波数が生成されます。

衛星はどのように原子時計を使用して機能するのか？

GPS衛星は、セシウムとルビジウムの原子によって確立された周波数基準に依存しています。たとえば、セシウム133は、9,192,631,770ヘルツ、つまり1秒あたり9億回のサイクルを持つクロック周波数を持っています。原子時計の正確な周波数測定により、この時間読み取りは1秒あたり1/10億秒の正確さであります。