Một thế kỷ của thuyết tương đối rộng. Phần II: Thuyết tương đối tốt là gì?

Mọi người thường thắc mắc, thế nào là tương đối tốt? Người ta thường nghĩ về Thuyết tương đối như một lý thuyết toán học trừu tượng và phức tạp, không có hậu quả cho cuộc sống hàng ngày. Không có gì là xa sự thật.

Đây là phần thứ hai của loạt bài: 'Một thế kỷ của thuyết tương đối rộng'. Xin vui lòng đọc phần đầu tiên ở đây: Phần I: Lịch sử và Trực giác.

Blog này trình bày lý do tại sao không có tính tương đối, các hệ thống GPS hiện đại sẽ không hoạt động!

Không có thuyết tương đối, các hệ thống GPS hiện đại sẽ không hoạt động!
Ảnh của NASA trên Bapt

Giới thiệu nhanh về GPS

Tất cả các hệ thống định vị hiện đại bao gồm cả máy bay đều được trang bị hệ thống GPS. Các hệ thống này cung cấp vĩ độ, kinh độ và độ cao của bạn trên trái đất với độ chính xác từ 5 đến 10 mét.

Ảnh của David Grandmougin trên Bapt

Cấu hình GPS hiện tại bao gồm một mạng lưới gồm 24 vệ tinh trên quỹ đạo cao quanh Trái đất. Mỗi vệ tinh trong chòm sao GPS có quỹ đạo ở độ cao khoảng 20.000 km so với mặt đất và có tốc độ quỹ đạo khoảng 14.000 km / giờ.

Thời gian quỹ đạo là khoảng 12 giờ - trái với niềm tin phổ biến, các vệ tinh GPS không nằm trong quỹ đạo địa không đồng bộ hoặc địa tĩnh.

Các quỹ đạo vệ tinh được phân phối sao cho ít nhất 4 vệ tinh luôn có thể nhìn thấy từ bất kỳ điểm nào trên Trái đất tại bất kỳ thời điểm nào (có thể nhìn thấy tối đa 12 vệ tinh cùng một lúc). Mỗi vệ tinh mang theo nó một chiếc đồng hồ nguyên tử, mà tick ticks với độ chính xác 1 nano giây (1 phần tỷ của một giây)!

Ảnh của Manlake Gabriel trên Bapt

Một máy thu GPS trong máy bay xác định vị trí và tiêu đề hiện tại của nó bằng cách so sánh các tín hiệu thời gian mà nó nhận được từ một số vệ tinh GPS (thường là 6 đến 12) và Trilaterating điêu trên các vị trí đã biết của mỗi vệ tinh.

Tôi biết bạn đã mất. Hãy xem video này để hiểu rõ hơn:

Nhưng làm thế nào để thuyết tương đối đi vào chơi?

Để đạt được mức độ chính xác cao, các đồng hồ tích tắc từ các vệ tinh phải được biết đến với độ chính xác là 203030 giây. Tuy nhiên, do các vệ tinh liên tục di chuyển so với các quan sát viên trên Trái đất, các hiệu ứng được dự đoán bởi Thuyết tương đối đặc biệt và Tổng quát phải được xem xét để đạt được độ chính xác 203030 giây mong muốn.

Hiệu ứng được giải thích bởi Thuyết tương đối đặc biệt

Bởi vì một người quan sát trên mặt đất nhìn thấy các vệ tinh đang chuyển động so với chúng, nên Relative Special dự đoán rằng chúng ta sẽ thấy đồng hồ của họ tích tắc chậm hơn. Điều này chiếm độ trễ khoảng 7 micro giây mỗi ngày do tốc độ đánh dấu chậm hơn do hiệu ứng giãn nở thời gian của chuyển động tương đối của chúng.

Hiệu ứng được giải thích bởi Thuyết tương đối rộng

Hơn nữa, các vệ tinh nằm trên quỹ đạo cao trên Trái đất, nơi độ cong của không gian do khối lượng của Trái đất nhỏ hơn so với bề mặt Trái đất. Một dự đoán của Thuyết tương đối rộng là các đồng hồ gần một vật thể lớn hơn dường như sẽ tích tắc chậm hơn so với những đồng hồ ở xa hơn. Như vậy, khi nhìn từ bề mặt Trái đất, các đồng hồ trên vệ tinh dường như đang tích tắc nhanh hơn các đồng hồ giống hệt nhau trên mặt đất. Một tính toán sử dụng Thuyết tương đối rộng dự đoán rằng các đồng hồ trong mỗi vệ tinh GPS sẽ vượt lên trên các đồng hồ trên mặt đất thêm 45 micro giây mỗi ngày.

Sự kết hợp của hai hiệu ứng tương đối này có nghĩa là các đồng hồ trên mỗi vệ tinh sẽ đánh dấu nhanh hơn các đồng hồ giống hệt nhau trên mặt đất khoảng 38 micro giây mỗi ngày.

Điều này nghe có vẻ nhỏ, nhưng độ chính xác cao cần có của hệ thống GPS yêu cầu độ chính xác nano giây, 38 micro giây là 38.000 nano giây. Nếu các hiệu ứng này không được tính đúng, một bản sửa lỗi điều hướng dựa trên chòm sao GPS sẽ là sai chỉ sau 2 phút và các lỗi trong định vị toàn cầu sẽ tiếp tục tích lũy với tốc độ khoảng 10 km mỗi ngày! Toàn bộ hệ thống sẽ hoàn toàn vô giá trị để điều hướng trong một khoảng thời gian rất ngắn.

Thuyết tương đối được sử dụng như thế nào?

Một mô tả về sự khác biệt giữa đồng hồ chuyển động và GR

Các kỹ sư đã thiết kế hệ thống GPS bao gồm các hiệu ứng tương đối tính này khi họ thiết kế và triển khai hệ thống. Ví dụ, để chống lại hiệu ứng 'Thuyết tương đối rộng' một khi đã đi vào quỹ đạo, họ đã làm chậm tần số tích tắc của đồng hồ nguyên tử trước khi chúng được phóng để khi chúng ở trong các trạm quỹ đạo thích hợp, đồng hồ của chúng sẽ xuất hiện ở tốc độ chính xác như so với các đồng hồ nguyên tử tham chiếu tại các trạm mặt đất GPS.

Đọc thêm

  1. Thuyết tương đối rộng của Einstein
  2. Giới thiệu đơn giản về thuyết tương đối của Einstein