Q先生的“智能血液”是如何追踪007的?

最近上演的动作大片《007大破幽灵党》里,“被休假”的007虽然失去了MI6的支持,但还是有些未来科技装备的,其中就包括了一种特殊的“智能血液”。它是一种纳米级的芯片,被注入007的血管之后,无论007身处全球任何一个地方,Q都可以追踪确定他的位置,还能监控007的生命体征。

那么,这种芯片究竟有多大可能,会在未来真的走入我们的生活呢?

无线电定位?

我们不妨从其最基础功能说起:它是如何给007定位的呢?

在几何学里,我们要在二维平面上确定某一个点的位置,只需要一个坐标(x,y)就够了, x和y就是该点分别距离x轴和y轴的距离,这就就叫做直角坐标系(也叫笛卡尔坐标系)。然而,人类显然是生活在三维空间中的,而且还是在一个曲面(地球表面)上,用直角坐标系显然就不够了。

为此,人类发明了经纬度系统,将地球的表面划分成了一个大网格,报出经纬度就能确定一个位置。然而,经、纬线都并没有真正的画在大地上,想要确定某个时刻007的位置,还得靠别的办法。

一种古老而有效的方案,是通过无线电来定位。基站A向目标发送一个无线电信号,目标接受到这个信号后将其反射回去,基站收到信号后测定两者的时间差,再乘以无线电波的速率,就得到了基站与目标之间的距离。也就是说,以基站为圆心,以这个距离为半径画一个圆,目标就出在这个圆的某一点上。

此刻,如果同时有另一个基站B,也测出了它与目标之间的距离,则又能画出一个圆来。理论上说,这两个圆只有1~2个交点,其中一个就是目标所处的位置,原理参见下图。


但无线电波的速度实在是太快了(大致等同于光速,30万千米/秒),而基站与目标的距离显然不会有数十万公里那么大,相对而言就会出现偏差,所以测出来的是个大致位置,也就是一个较大的范围。如果只是用于船舶导航,这种精度是可以接受的;但如果是想在茫茫人海中精确找到007的位置,就需要用更高的精度,方法就是引入第三个、第四个基站,基站越多,就越能精确的确定这个交点的位置。

实际上,无线电定位技术早已被用在野生动物保护上:八十年代,我国曾几次放归、跟踪过大熊猫,用的方法就是在大熊猫的脖子上戴一个无线电项圈,这个项圈在收到基站的电波信号后会自动应答,从而确定其精确位置。

GPS,全球定位

然而,这种系统有个很大的缺陷:作用距离有限。

我们知道,无线电波有短波、长波、超长波等等分类,波长越大,则可以传播的距离就越远,但所需要的设备体积、重量也就越大。如果想要挂在熊猫脖子上,这个无线电发射器就只能采用较短的波长。而短波的是通过大气层的反射,曲曲折折的传播,其传播距离受地形的影响非常大,也很容易被外界因素干扰,有效作用距离通常在数百到数千公里不等——显然,MI6在伦敦的总部,离南美洲的距离远不止这一点,用无线电定位就行不通了。

因此,他们或许可以使用另一种成熟的技术:GPS,全称“全球卫星定位系统”。

GPS的原理,跟前面说的无线电定位相同,只不过把基站“搬”到了卫星上,运用“三角定位法”进行工作。GPS由31颗卫星组成阵列,确保在任意时刻,地球上任何位置的接收器,都能跟至少3颗卫星进行短暂的无线电通讯。只不过这次画出来的,不是一个圆形,而是一个空心的“球壳”,3个球壳的交点,就是目标所处的位置。

当然,这里头还涉及到报文传输、天地时钟差异调整(与相对论有关)等复杂的技术,但大体原理就是这样的,而你的手机上的GPS定位,也是这么工作的。目前,GPS系统已经可以无死角的覆盖地球的各个地方,所以007体内的芯片,最可能采用的就是GPS技术。

唯一的障碍是:目前最轻巧的的GPS接收机,体积也有手指大小,重量在10g以上,且它的天线只能在室外才有较好的信号;想要把它变成纳米芯片,还要注射到007的血管里,难度可想而知。再加上供电的问题(没错,目前的GPS接收机是必须要电源的),Q先生可得好好钻研一番才成。

而除了GPS系统,欧洲也搞出了伽利略系统,我国则开发了“北斗”卫星导航系统,以便在军事、执法、航天等方面有更大的自主权,更高的定位精度(GPS由美国开发,给他国提供的民用GPS精度有故意降低)。

未来,会用什么呢?

尽管GPS有相当强悍的功能,还是有一些缺点,比如完全依赖卫星的支持,一旦卫星被毁,或者接收器(比如007佩戴的那个)处在室内、地下、水下、洞穴等电波难以达到的地方,就没法正常工作了。同时,就像《007大破明日帝国》中的桥段那样,GPS接收机实际上是可能被干扰的,之前美国的RQ-170侦查无人机在伊朗被俘,外界就猜测伊方可能就使用了GPS干扰技术。

因此,对于007而言,需要的可能是更加未来的技术:中微子通讯和定位系统

中微子(neutrino)是一种基本粒子,其最特殊之初就在于它太稳定了,几乎不和地球上的任何东西反应——墙壁,土壤,岩石,海水,它统统能够悄声无息的穿过去,因而又被称为“幽灵粒子”。实际上,它的穿透能力令人惊讶:从地球的一头出发,瞬间就到达地球的另一头,信号强度的衰减却可以忽略不计。

因此,如果能够将中微子通讯转入实用,则本片中的“智能血液”就可能真的实现了:只要在伦敦、巴黎和纽约分别架设一个中微子通讯站,就可以通过三角定位法确定007的位置,同时将其心跳、血压等数据实时传回MI6总部了。

可惜,目前人类还没法操纵中微子为通讯服务,但这个技术一旦成熟,将对我们的生活带来巨大的影响,至少,不会再出现“手机信号差”的问题啦。

结语

未来已经来临,只是尚未流行”,007系列电影中许多经典的神奇装备,在今天看来已经是触手可及的现实。相信随着技术的进步,“智能血液”也会来到我们的身边,为普通人的健康、出行与通讯服务吧。