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GPS卫星与相对论

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。


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