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相對論與時鐘頻率
點擊次數(shù)：3679 發(fā)布時間：2010-9-16
GPS依賴空中GPS星系來定位的，每顆衛(wèi)星上都攜帶著原子鐘，它們計頻率和計時精度*，并不停地發(fā)射無線電信號講演時間和軌道位置。這些GPS衛(wèi)星在空中的位置是精心鋪排好的，任何時候在地球上的任何地點至少都能見到其中的4顆。GPS導(dǎo)航儀通過比較從4顆GPS衛(wèi)星發(fā)射來的時間信號的差異，計算出所在的位置。
GPS衛(wèi)星以14000千米/小時的速度繞地球飛行。根據(jù)狹義相對論，當(dāng)物體運動時，時間會變慢，運動速度越快，時間就越慢。因此在地球上看GPS衛(wèi)星，它們攜帶的時鐘要走得比較慢，用狹義相對論的公式可以計算出，天天慢大約7微秒。
GPS衛(wèi)星位于間隔地面大約2萬千米的太空中。根據(jù)廣義相對論，物質(zhì)質(zhì)量的存在會造成時空的彎曲，質(zhì)量越大，間隔越近，就彎曲得越厲害，時間則會越慢。受地球質(zhì)量的影響，在地球表面的時空要比GPS衛(wèi)星所在的時空更加彎曲，這樣，從地球上看，GPS衛(wèi)星上的時鐘就要走得比較快，用廣義相對論的公式可以計算出，天天快大約45微秒。
在同時考慮了狹義相對論和廣義相對論后，GPS衛(wèi)星時鐘天天還要快上大約38微秒，這好像微不足道，但是假如我們考慮到GPS系統(tǒng)必需達到的時間精度是納秒級的，這個誤差就非?？捎^了（38微秒即是38000納秒）。假如不校正的話，GPS系統(tǒng)天天將會累積大約10千米的定位誤差，是沒有用的。為此，在GPS衛(wèi)星發(fā)射前，要先把其時鐘的走動頻率調(diào)慢100億分之4.465，把10.23兆赫調(diào)為10.22999999543兆赫。此外，GPS衛(wèi)星的運行軌道并非的圓形，與地面的間隔和運行速度會有所變化，假如軌道偏心率為0.02，時間就會有46納秒的誤差。因為地球的自轉(zhuǎn)，GPS導(dǎo)航儀在地球表面上的位移也會產(chǎn)生誤差，例如當(dāng)GPS導(dǎo)航儀在赤道上，而GPS衛(wèi)星在地平線上時，因為位移產(chǎn)生的誤差將會達到133納秒。GPS導(dǎo)航儀在定位時還必需根據(jù)相對論進行計算糾正這些誤差。
可見GPS的使用既離不開狹義相對論，也離不開廣義相對論。GPS的使用是1993年開始的，但是早在1955年就有物理學(xué)家提出可以利用在衛(wèi)星上放置原子鐘來驗證廣義相對論了，GPS實現(xiàn)了這一設(shè)想，并讓普通人也能親自體驗到相對論的威力。