爱因斯坦和GPS

我是爱因斯坦的忠实粉丝. 许多物理学家都同意他的理论是天才的最纯粹的表达在人类历史上所有的应用程序随之而来. 在这种情况下，, 我们谈论的全球定位系统 (全球定位系统).

GPS是在1960年代冷战期间由美国军方开发的. 它最初是由海军用于导航目的. 在早期版本中, 一艘船每小时只能更新一次位置数据. 在接下来的几十年, 美国继续通过发射更多卫星来改善系统. 在80年代, 里根政府决定将GPS技术用于民用. 解决方案的动力是苏联航空公司在2008年击落的韩国客机 1983, 从阿拉斯加到韩国的途中不小心飞越苏联领土.

GPS系统包括 24 高轨道绕地球飞行的卫星. 这些卫星的传播速度约为 14.500 每小时公里，其轨道处于 19.000 公里. (进行比较, 国际空间站轨道的高度约为 400 公里). 每个卫星都有一个原子钟, 准确度约为 1 纳秒. 卫星的分布方式应使其从地球表面的任何部分, 至少有四个在视线范围内. 接地的GPS接收器 (或在飞机上) 使用射频信号a接收有关这些卫星的时间和位置的数据 1,575 GHz的.

没有相对论, 爱因斯坦（Albert Einstein）将不存在GPS. 疯狂的想法，例如随着速度的增加而减慢时间，或从一个巨大的物体弯曲一个称为时空连续体的三维物体，这对于GPS的功能至关重要. 而不是精确地测量英尺 (为了军事, 以英寸来算) 不考虑爱因斯坦的理论, 只能以英里为单位进行测量. 但是对于路线的确切指示，这还不够. 在很短的时间内, 这样的错误会累积起来，整个系统将变得毫无用处.

GPS接收器可以从无线电波以光速传播所需的时间计算到每个卫星的距离. 知道信号中编码的三颗卫星的精确距离及其位置, 接收机的微处理器可以通过三边测量确定其坐标. 三角测量是一种更复杂的三角测量形式, 它使用相交球体根据与三维空间中其他三个点的距离来确定位置. 需要第四颗卫星用于备份验证和对非原子接收器的临时修复.

测量在相对短距离内传播的无线电波的传播时间需要极高的精度. GPS需要几纳秒的精度. 这需要诉诸爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论. 狭义相对论是关于高速运动的物体, 而广义相对论是引力理论.

爱因斯坦发表了他的狭义相对论。 1905 并永远改变了我们关于宇宙的基本观念. 他证明了与牛顿和常识相反的东西, 光的速度, 而不是时间或距离, 这是一个真正的普遍常数. 他的理论指出，随着物体的速度接近光速, 时间相对于观察者变慢 “不动” 在地球上. 我已经强调了这个词 “不动” 用引号引起来, 因为实际上没有什么不动的, 而我们目前正在移向地球, 在膨胀的宇宙中绕旋转的银河系绕太阳公转

根据狭义相对论, 如果您的双胞胎兄弟以接近光速的速度飞到太空飞船上, 他的时间会比你的慢. 一个小时之后，他可以回来，而这对他来说只有一个小时，然后看看你有什么 50 比他大几岁. 时间差完全取决于其速度与光速的接近程度. 这种效应称为时间膨胀，由以下洛伦兹变换公式表示:

鸽子

Ť 是惯性参考系中的时间 (在以恒定速度运动的系统中, 例如地球上的GPS接收器),
Ť ‘ 是另一个惯性参考系中的时间 (例如在轨卫星),
v 是两个参考系统之间的相对速度,
C 是光速.

当相对速度小于光速时, 先前的公式简化为t'= t, 也就是说，没有时间膨胀. 这是我们的日常世界. 但是当相对速度接近光速时, 趋于无穷大 (就是说, 时间以光速减速甚至停止). 对于GPS卫星，其移动速度为 14.500 km all’ora, 时间流逝 7000 每天比接收器在地球上的时间慢十亿分之一秒.

狭义相对论之所以被称为特殊，是因为该理论有其局限性。, 仅在加速度为零的特殊情况下工作. 爱因斯坦狭义相对论的方程只有在物体以恒定速度以直线运动而没有加速度时才有效.

爱因斯坦, 终于, 意识到加速度和重力是等效的 (所谓等价原理). 在 1915, 在他的新理论背后的数学问题奋斗了近十年之后, 发表了他的杰作, 广义相对论. 广义相对论的数学基础, 被称为张量分析, 它比狭义相对论所必需的要复杂许多倍. 结束之后 200 统治多年, 牛顿的引力理论被爱因斯坦的新引力理论所推翻.

广义相对论表明，质量引力使时空连续体的结构变形. 引力, 狭义相对论中的速度, 是时间膨胀的原因. 在GPS的情况下, 太空中的卫星比地球上的接收器承受的引力略小. 由于严重程度不同, 卫星用光了时间 45.000 每天比地面接收器快十亿分之一秒.

相对论的特殊理论指出，对于快速移动的卫星, 时间慢下来, 而相对论的一般理论规定了卫星, 时间过得更快，因为他们承受的重力较小. 这些影响的组合导致以下事实：相对于地面接收器，对于卫星, 时间流逝比 38.000 (45.000 – 7.000) 每天纳秒. 卫星发出的无线电波的传播速度约为 30 厘米每纳秒. 这意味着没有相对论效应, 每个卫星的距离会失真大约 11,5 每天公里!

无论系统是否显示前往餐厅的路线, 允许飞行员在世界上任何地方定位自己的位置，或帮助您找到丢失的宠物, GPS影响着每个人生活的许多方面. 请记住，如果大约在一百年前，没有人热衷于了解自然, 所有这一切都是不可能的. “我没有特殊才能. 我只是疯狂地好奇 “, 爱因斯坦曾说过.

以此，我试图使一个始终具有其自身神秘色彩的话题成为可以理解的话题. 我当然没有在各个方面解释一切, 那些真正感兴趣的人将进一步调查此事, 对于其他人，他们可能会说他们对此有所了解，但是, 他们从来没有渴望深入. 😉