相對論與汽車導航有關係?

狹義相對論告訴我們,當物質的速度越快時,時間會膨脹(變慢)。
廣義相對論告訴我們,當物質在強引力場中時間過得比較慢。
但這又跟汽車導航有甚麼關係呢?

全球定位系統運作基本原理

這就要來說說,汽車導航的方式「全球定位系統」(GPS, global positioning system)的基本運作原理(簡單介紹省略大部分細節,只介紹與相對論有關的事情)

汽車導航系統與相對論看似意外組合,但其實它們關係密切。

汽車導航系統是利用「全球定位系統」(GPS, global positioning system),求出汽車與4顆以上人造衛星之間的距離後,推算汽車目前位於地球何處的機制。

我們如果知道「衛星所發出電磁波的速度」與「該電磁波從衛星抵達汽車的時間」,根據「距離=速度×時間」的公式,即可求出衛星與汽車之間的距離。
(電磁波速度就是光速299792458 m / s)。

電磁波抵達汽車的時間,為衛星發出訊息時刻與汽車導航系統接受訊息時刻的差。全球定位系統以人造衛星所搭載的正確原子鐘為時刻標準。

但是衛星以每秒大約4公里的速度環繞地球旋轉,而且衛星在距離地球大約2萬公里的衛星軌道上所受的重力,與在地球上相比來得小。

相對論效應

愛因斯坦(Albert Einstein, 1879~1955)認為,「與地球上靜止的時鐘相比,快速運動的時鐘走得慢,位於弱重力處的時鐘走得快」。

如果這個想法正確,衛星上的原子鐘所顯示的時刻與地球上時鐘所顯示的時刻應該會錯開。

1.全球定位系統衛星高速飛行,它所搭載的原子鐘會發生「運動的時鐘走得慢」的”狹義相對論”現象(每天約慢7.2微秒)。

2.衛星在距離地球大約2萬公里處所受重力,與在地球上相比來得小,又會發生「位於弱重力處的時鐘走得快」的”廣義相對論”現象(每天約快45.9微秒)。

3. 綜合以上二者,GPS衛星發射前需先調整其原子鐘每天38.6微妙的時間差。

所以根據相對論,衛星上的時鐘與地球上的時鐘相比,每天應該大約快38.6微秒
(1微秒為100 萬分之1秒)。

如果我們放任該錯開的時刻不管,將會如何?
電磁波在38.6微秒間,可前進大約11公里。

換句話說,如果放任 1天不管,將使全球定位系統出現大約11公里的誤差,該汽車導航系統很快便不堪使用。

為了避免這個情況發生,衛星上的原子鐘必須設計成恰可校正相對論效應所造成的錯開部分。

所以愛因斯坦的相對論支持了汽車導航系統這個我們隨處可見的技術。

有一句話是這麼說的:
牛頓告訴你如何發射衛星、愛因斯坦告訴你如何使用衛星。

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