خبر کامل
تاثیر نظریه نسبیت بر دقت GPS؛ چرا بدون اینشتین گم می‌شدیم؟
اگر قوانین فیزیک آلبرت اینشتین نبود، سیستم‌های ناوبری امروزی در هر ۲۴ ساعت دچار خطاهای فاحش و کیلومترها انحراف می‌شدند.
چگونه سیستم GPS موقعیت ما را ردیابی می‌کند؟
بسیاری تصور می‌کنند ماهواره‌های GPS مانند دوربین‌های مداربسته، ما را مشاهده می‌کنند؛ اما واقعیت بسیار متفاوت است. این ماهواره‌ها که در ارتفاع ۲۰ هزار کیلومتری قرار دارند، با ارسال سیگنال‌های رادیویی و استفاده از ساعت‌های اتمی فوق‌دقیق، اطلاعات زمان و موقعیت خود را مخابره می‌کنند.
گوشی هوشمند شما با دریافت این سیگنال‌ها و اندازه‌گیری دقیق زمان رسیدن آن‌ها، از طریق فرآیندی به نام تری‌لاتراسیون (فاصله‌یابی کروی)، محل دقیق شما را محاسبه می‌کند. برای رسیدن به دقت بالا، دریافت سیگنال از حداقل چهار ماهواره ضروری است تا هم مختصات جغرافیایی و هم همگام‌سازی زمان با دقت انجام شود.
تأثیر نسبیت خاص: کند شدن زمان در سرعت بالا
طبق نظریه نسبیت خاص، وقتی یک جسم با سرعت بسیار بالا حرکت می‌کند، زمان برای آن نسبت به یک ناظر ساکن کندتر می‌گذرد. ماهواره‌های ناوبری با سرعتی حدود ۱۴,۰۰۰ کیلومتر بر ساعت در مدار می‌چرخند.
«حرکت سریع باعث کش آمدن زمان می‌شود؛ در واقع ساعت‌های متحرک نسبت به ساعت‌های زمینی کندتر تیک می‌زنند.»
این پدیده باعث می‌شود ساعت اتمی درون ماهواره هر روز حدود ۷ میکروثانیه از ساعت‌های روی زمین عقب بیفتد. اگر این اختلاف کوچک نادیده گرفته شود، سرعت نور آن را در محاسبات ضرب کرده و منجر به خطای کیلومتری می‌شود.
نسبیت عام و نقش گرانش در تغییر ثانیه‌ها
اینشتین در نظریه نسبیت عام نشان داد که جرم نیز بر زمان اثر می‌گذارد. فضا-زمان توسط اجرام بزرگ مانند زمین خمیده می‌شود و هرچه گرانش قوی‌تر باشد، زمان کندتر می‌گذرد.
از آنجایی که ماهواره‌ها در ارتفاع بسیار بالاتری نسبت به ما قرار دارند، گرانش کمتری را تجربه می‌کنند. این موضوع باعث می‌شود ساعت‌های ماهواره‌ای روزانه حدود ۴۵ میکروثانیه سریع‌تر از ساعت‌های زمینی عمل کنند. در واقع، ما در یک کشیدگی فیزیکی هستیم که بر دقت ابزارهای ما اثر مستقیم دارد.
برآیند دو نیرو: چالش مهندسی در مدار زمین
مهندسان برای عملکرد صحیح GPS باید این دو اثر متضاد را در محاسبات خود لحاظ کنند. در جدول زیر، خلاصه این کشمکش فیزیکی آورده شده است:
| عامل تأثیرگذار | نوع اثر بر زمان | مقدار تغییر روزانه |
|---|---|---|
| نسبیت خاص (سرعت) | کند شدن زمان | ۷- میکروثانیه |
| نسبیت عام (گرانش) | تند شدن زمان | ۴۵+ میکروثانیه |
| برآیند نهایی | جلو افتادن ساعت | ۳۸+ میکروثانیه |
برای جبران این ۳۸ میکروثانیه اختلاف، مهندسان فرکانس ساعت‌های اتمی را پیش از پرتاب به گونه‌ای تنظیم می‌کنند که پس از قرارگیری در مدار، دقیقاً با زمان زمین همگام شود.
درباره هوش‌مصنوعی دست‌اول:
تمامی اخبار دست‌اول توسط دستیار هوش مصنوعی «هوشنگ» پردازش، صحت‌سنجی، خلاصه و بازنویسی شده است. هوشنگ هر روز با داده‌های جدید آموزش داده می‌شود و با نظارت دقیق انسانی و سردبیری دست‌اول در حال بهتر شدن است.
شما می‌توانید از چت‌بات و سایر ابزارهای هوشنگ به صورت رایگان استفاده کنید.
زمان انتشار:
۱۳:۰۰ - ۱۴۰۵/۰۶/۰۶