GPS卫星与相对论 | 浮生无事Blog

正如标题所说，相信大家绝对想不到，我们每天都会接触到GPS全球定位系统竟然会跟相对论扯上关系。

我们先不讨论，GPS与相对论是否真的有关系，但有一点的事实就是，GPS卫星上原子钟入轨运行前调慢了每天38.6微秒。

大家可能了解过相对论对于时间的一些理论，根据狭义相对论，高速运动的物体，时间会膨胀，也就是变慢。根据广义相对论，引力造成时空的弯曲，引力越大，时间越慢，相反，引力越小，则时间越快。

我们很容易的发现，GPS系统完美的同时符合狭义相对论和广义相对论，那相对论对于GPS的设计有什么影响吗？或者说GPS的设计有依据相对论的理论吗？毕竟，如果相对论是正确的话，那么肯定会对GPS上的时钟产生影响。

要回答上述问题，首先我们先明确一点，如果没有相对论这一理论的存在，GPS系统能够实现吗？答案是肯定的，GPS系统同样会被研究出来。

我们的工程师们，可是非常厉害的一批人，难道没有相对论他们就研究不出GPS系统？这是不可能的。就跟原子弹一样，没有相对论就造不出原子弹？这是错误的，即便没有相对论，原子弹同样也能制造出来，相对论仅仅只是解释其威力的一种理论而已。

同样，GPS卫星在发射之前将时钟调慢，更不可能是根据相对论计算出来的，聪明的工程师们，一定会发现GPS上的时钟与地面时钟存在的误差，他们会对一个固定的且随时间积累的系统误差放任不管，束手无策吗？不会的，尽管他们可能不知道这个误差背后的物理原因，但通常他们会引进若干可调参数，通过统计的曲线拟合法找到这个误差的精确值，并通过各种技术手段把这个误差消除掉。

那么，GPS系统究竟跟相对论有没有关系呢？时钟调慢是不是相对论效应产生的呢？曾经有一段时间，科学界就对相对论与全球定位系统GPS的关系进行了热烈的讨论，但即便到了如今该问题也尚没有一个准确的答案。

不过，这次热烈的讨论中，科学界也是达成一些相应的共识，即，即便相对论确实会对GPS卫星产生一定的效应，但这个效应同样也是微乎其微的。因为GPS卫星速度（<4千米/秒）相对于光速来说是极慢的，38微秒/天的累积位置误差不大于15厘米/天,且GPS卫星每天都会修正其位置信息和时钟时间, 仅在两次时钟校准之间，卫星时间信息要依赖卫星自己的原子钟。