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在相对论与GPS关系(或没有关系)上形成的共识

已有 5572 次阅读 2016-5-21 10:19 |个人分类:物理|系统分类:科普集锦| gps, 相对论, 洛伦兹, 全球定位导航系统, 经典物理学

在相对论与GPS关系(或没有关系)上形成的共识

在各方的讨论中,在相对论与全球定位系统(Global Positioning System,GPS)关系上或缺乏关系上(or lack of it),不少共识还是存在的。下面是个人总结的共识点,欢迎各方专家批评和补充。

一、GPS没有使用相对论时空体系,没有考虑相对论的基本主张“同时性的相对性”。GPS使用的是经典时空体系的“同时性的绝对性”,即只要所有时钟(32个卫星时钟)都与一个基准时钟对齐,所有时钟两两之间就也是对齐的。没有经典物理学的同时性的绝对性,就没有GPS。从原理上讲,如果相对论的同时性的相对性是正确的,不同速度的32个时钟就不可能全部同步,也就不会有GPS。

GPS的时间体系是协调世界时(英:Coordinated Universal Time ,法:Temps Universel Coordonné),又称世界统一时间、世界标准时间、国际协调时间。在这一体系中,所有(卫星)时钟与主控站的标准钟对准后,它们两两之间也就对准了。也就是说,第三者可以对准另外两个时钟,即使另外两个时钟之间的速度与它们相对于第三者的速度不同。

二、GPS的差分定位原理,要求卫星位置信息准确、卫星时钟时间精确同步,却不需要卫星时钟的时间准确。卫星时钟因洛伦兹速度效应而变慢和引力势场效应而变快,只要同步变化,在卫星位置信息准确的条件下,GPS定位仍然准确。因此,GPS定位本身根本不需要考虑洛伦兹效应或相对论效应。

GPS不是为地心惯性系建造的,它还要为成千上万的飞机、火箭导航,必须为所有的用户对齐、同步,而成千上万的飞机、火箭速度、方向各不相同。差分定位原理要求为GPS卫星为每一个用户对齐、同步,而不只是为地心惯性系或主控站对齐。而狭义相对论(的同时性的相对性)认为当时钟在一个参照系中对准,在与第一个参照系有相对速度的另一个参照系中就是未对准的。也就是说,对主控站来说32GPS卫星时钟对准了,相对于主控站高速飞行的飞船、火箭,32GPS卫星时钟是未对准的了。

三、GPS主控站和监测站监测卫 星位置和时钟时间,每天修正其位置信息和时钟时间。在两次位置校准之间,卫星位置信息要通过轨道和时间信息推算出来。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。卫星时钟因洛伦兹速度效应而变慢和引力势场效应而变快,只影响在两次位置校准之间的定位精度。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,所以与GPS系统5米的定位精度、俄罗斯的GLONASS系统5-10米的定位精度比较,“相对论效应”的修正只占不到3%,可以说是微不足道的

四、虽然有少数专家怀疑卫星原子钟走时速率在发射升天前真被调慢38微秒/天,各方的绝大多数同意卫星原子钟走时速率被调慢各方对卫星时钟因洛伦兹速度效应而变慢和引力势场效应而变快是否应称为相对论效应意见不统一。在这些速度和引力场时钟效应对GPS定位精度无足轻重这一点上,各方的意见是一致的。

五、虽然各方对时钟的速度效应和引力势场效应是否应称为相对论效应意见不统一,但是各方都同意时钟的速度效应和引力场效应与洛伦兹理论或经典物理学体系不矛盾。洛伦兹理论或经典物理学体系可以包纳时钟的速度效应和引力场效应。因此,时钟的速度效应和引力场效应为相对论、洛伦兹理论和经典物理学所共有,不是相对论的独有特征。同时性的相对性不能为洛伦兹理论或经典物理学体系包纳,是相对论的独有特征。同样,光传播媒介为经典物理学和洛伦兹理论共有,却与相对论不相容。相对论不能包纳光传播媒介。

六、一方主张,因为洛伦兹理论或经典物理学体系可以包纳时钟的速度效应和引力场效应,所以时钟的速度效应和引力场效应不应称为相对论效应,GPS也就与相对论毫无关系。例如牛顿运动定律在相对论力学仍被应用,不能把使用牛顿定律说成是使用相对论,也不能把使用牛顿定律的相对论力学说成是经典物理学。具体是经典物理学还是相对论力学,要看它们被使用时的时空体系。另一方主张,时钟的速度效应和引力场效应通常与相对论联系在一起,因此应该称之为相对论效应GPS也因此使用了相对论

七、结论:GPS使用的是经典时空体系的“同时性的绝对性”。无论是否把时钟的速度效应和引力场效应称之为相对论效应,各方都同意,因时钟的速度效应和引力场效应而做的修正对GPS的定位精度无足轻重。






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