時空彎曲被證明:GPS每天可偏差11公裡

2020-12-12 快科技

也許現在很多人還認為相對論離我們很遙遠，時空彎曲和我們完全無關，甚至根本不相信時空是彎曲的，或者完全沒有任何概念。

當初愛因斯坦發表廣義相對論預言時空彎曲的時候，非得英國人派了兩支船隊，等到日全食的時候，趕到地球上兩個相距遙遠的地方，分別測量被太陽擋住的星光，才最終證明時空是彎曲的，真是又費馬達又費電。

走一萬裡漫漫長路，只為了驗證星光被太陽彎曲0.00046度（1.65角秒）。不過這是人類歷史上最重要的一段航程，我們對時間、空間以及宇宙的認識從此發生了根本轉變。

近100年過去了，現在廣義相對論已經被科學家們廣泛接受，不過很多人依然不相信時空是彎曲的，因為連空間彎曲我們都沒有看見過，何況時間彎曲呢？時間彎曲又是什麼樣子呢？有什麼和我們息息相關的東西可以證明時間是彎曲的呢？

證據就在我們的手裡，幾乎每個人都會用到的手機GPS衛星導航。GPS導航的基本原理是，手機接收地球上空至少四顆不同位置的GPS衛星發射的時間和位置信號，通過比對後計算出自己的位置，標示在地圖上。那麼GPS衛星導航系統為什麼能證明時間是彎曲的呢？這個原理早已為很多人所熟知，不過依然有朋友雲裡霧裡，筆者就簡要介紹一下。

時間的彎曲是由時間變快變慢來度量的。廣義相對論認為，物體的運動速度將導致其時間彎曲，具體表現在速度越快的物體，其時間變得越慢。GPS衛星在軌道上的速度約1.4萬公裡/小時，它的時間每天將變慢7微秒。

廣義相對論還認為，大質量物體會導致其周圍的時間和空間發生彎曲，具體表現在離大質量物體越近，時間就變得越慢。GPS衛星在離地球大約兩萬公裡的軌道上運行，它的時間比起地球表面的時間，平均每天要快45微秒。

綜合二者的影響，GPS衛星上的時間被彎曲後，每天將變快約38微秒，經計算，這會導致地面上的定位精度每天累積偏差約11公裡。據說美國發射第一顆GPS衛星的時候，沒有考慮到廣義相對論的時空彎曲效應，導致根本無法用來定位。那這個問題是怎麼解決的呢？很簡單，工程師們將GPS衛星上的原子時鐘走動頻率調慢100億分之4.465，GPS衛星便能向接收設備發送正確的時間和位置信號了。當然筆者認為美國發射第一顆GPS衛星便發現這個問題很可能是杜撰的，只是為了增加事件的戲劇性，因為僅憑一顆衛星根本不可能定位。

另外，朝鮮發射飛彈老掉進海裡，不知道是不是和他們沒有技術糾正GPS信號的偏差有關，畢竟時鐘快慢問題解決了，其它還有很多因素會影響定位精度的。而且朝鮮還常常發射信號幹擾GPS，揩油不好好揩，還要搞破壞，沒準兒連自己的也破壞了。

所以，如果你用過手機GPS導航，你就已經實踐了愛因斯坦的廣義相對論，別再萌萌地問：什麼是時空彎曲？或者問：什麼是時空？甚至問：什麼是彎曲？

相關焦點

  • 時空彎曲與引力的關係
    時空會彎曲是真的，這是毋容置疑的。引力波能被探測到就是最好的證明。因為引力波是時空的漣漪，是時空的振動，這說明空間是具有彈性的，不是純剛體的東西。還是把場方程的圖，放在開頭。那麼空間是如何彎曲的，就是我們應該深挖的內容。
  • 時空是彎曲的 之三
    這樣一切參考系，都可分解為引力場中的慣性系，物理定律在一切參考系中保持不變，建立起了廣義相對性原理。狹義相對論中，沒有考慮引力存在，時空是平直的。愛因斯坦覺得，引力存在的時空應該是彎曲的。由於引力的來源是質量，故質量存在將會造成時空彎曲，反過來，彎曲的時空又會影響質量的運動。
  • 愛因斯坦將引力解釋為「時空彎曲」,到底有啥證據可以證明?
    前面幾篇文章我重點講解了廣義相對論關於黑洞的相關知識，但是很多網友表示：無法接受將引力解釋為時空彎曲，認為引力就是一種真的力。哈哈，這沒關係，因為愛因斯坦的很多理論都是於我們的常識相違背的，所以無法接受時空彎曲很正常，不過這期我將從實驗角度來分析，給時空彎曲理論提供有力的證據。
  • 時空發生彎曲其實是密度在搗鬼
    密度不同導致熱浪「愛因斯坦的廣義相對論認為，由於有物質的存在，物質和時間（時空）會發生彎曲，時空彎曲的是質量（能量）造成的結果，萬有引力是時空彎曲的表現。」好了，其實這就是光在時空中前進時候，遇到大天體會發生彎曲。如果說到這裡還沒有明白，我繼續往下解釋。
  • 彎曲時空,重力,它們的關係是什麼?
    廣義相對論認為，能量(以質量、光或其他任何形式出現)告訴時空如何彎曲，而時空的彎曲則告訴能量如何移動。「重力」的概念就是物體沿著時空彎曲的方向下落。物體遵循的路徑被稱為「測地線」。我們先來看看物體的彎曲面，然後再回來看測地線。
  • 牛頓萬有引力定律與愛因斯坦時空彎曲理論有什麼聯繫和區別?
    在地球上，環繞速度為每秒7.9公裡，脫離速度為每秒11.2公裡，逃逸速度為每秒16.7公裡。所謂環繞速度就是一個與地球引力抗衡的速度，達到這個速度既逃脫不了地球引力，又不會被地球引力拉拽下來，就成為地球人造衛星。
  • 廣義相對論對時空的解釋,時空必須是彎曲的
    本文終於要展示彎曲的時空如何使愛因斯坦的世界模型和牛頓的一樣自我一致。第一步是用幾何時空的術語表達這兩個觀點，因為這是用可靠的客觀方法比較它們的唯一方法。隨著時間的推移，當事物在空間中移動時，人類體驗世界並動態地談論世界。但是即使在一個沒有重力的世界裡，我們已經知道時鐘、標尺和我們的眼睛都會誤導我們。
  • 簡單說明引力的時空彎曲解釋和量子化
    量子力學對引力進行量子化，提出了引力子的概念，但是並沒有出現期望的結果，這個數學過程非常複雜並且不能自洽，粒子物理標準模型中唯一一個尚未證明或者說是被放棄的。而廣義相對論的核心就是時空彎曲，這也是引力的本質解釋。因為物質質量的存在時空發生彎曲，因為時空彎曲的存在告訴物體如何運動。
  • 能讓時空彎曲的不僅是質量,還有速度,時間膨脹效應與廣義相對論
    我們習慣於把時間和空間作為兩個事物分開來說，可在物理學上，時間和空間是一個整體，並稱為時空，時空才是它們真正的名字。時間與空間密不可分，二者只能同時存在或同時不存在，所以時間和空間都是客觀存在於宇宙之中的。不過，無論是時間還是空間，並不是永遠穩定而平緩的，它們會因為引力的作用而發生彎曲。
  • 時空彎曲產生引力改為引力使時空彎曲,能不能解釋相對論的問題?
    按「相對論」的高逼格，引力表述為：質量發生變化，導致時空結構改變，時空結構的變化將以「波」的形式傳播。簡單的說：引力以光速傳播。這就是引力波的概念。到底誰對誰錯，科學的辯證就是根據理論預測，大家做實驗對比數據！
  • 廣義相對論中的「時空彎曲」為什麼特別難理解?
    上一篇文章中我詳細談到了廣義相對論中的「時空彎曲」概念，大家應該有一個初步的認識，不過大家肯定也有疑問，對「時空彎曲」概念依然有點蒙圈。別急，這一講我將進一步給大家剖析時空彎曲概念。首先要區分兩個概念「時空彎曲」和「空間彎曲」有差別，時空彎曲是一個具有四維（x，y，z，t）的物體是彎曲的，空間彎曲則是一個具有三維（x，y，z）的物體是彎曲的。其實空間彎曲在我們的現實世界並不存在，我們生存的這個三維空間本身是平直的，但是三維的空間加上一個時間，合併成的「四維時空」為什麼就變得彎曲了呢？
  • 時空彎曲是廣義相對論核心,理解了空間彎曲,如何理解時間彎曲?
    愛因斯坦的廣義相對論為我們描述了一種不同於牛頓定律的新的引力觀，根據愛因斯坦的觀點，引力實際上就是空間和時間的彎曲。在牛頓的引力理論裡，太陽將地球限制在固定的軌道上，依靠的是一根「看不見的繩子」。似乎從太陽或者地球生出了一根隱形的「引力之繩」，將兩者拴在了一起。
  • 神秘的宇宙弦,可能是時空的裂縫!1.6公裡就與地球質量相同
    在宇宙弦可能出現的最早時刻之一，宇宙裂開了，這些裂縫（這些時空本身的缺陷和裂縫）甚至可能會持續到今天。一個早已逝去的時代的產物，一個由外來力量和奇怪能量統治的時代可能會持續下去。宇宙可能充滿了所謂的宇宙弦，這些時空缺陷，雖然我們還沒有任何證據證明它們的存在，但宇宙弦可能仍然存在。
  • 是時空的彎曲還是引力子?
    在廣義相對論當中，引力的本質是時空的扭曲。就拿太陽系來說，太陽壓彎了周圍的時空，地球是沿著「時空」的「直線」（也被叫做測地線）在運動。如果從二維上來看，就是下面這樣：所以，科學家惠勒曾經概括過廣義相對論，他是這麼說的：物質告訴時空怎麼彎曲。時空告訴物質怎麼運動。
  • 愛因斯坦指出牛頓錯誤,直言引力並不存在,只是「時空的彎曲」
    首先，「引力」在愛因斯坦看來，其實並不存在，所謂的引力是質量對時空的影響，並不是一種單純的力i，其實仔細思考一下就會發現，引力的很多特徵並不符合我們熟知的力。引力絲毫並不需要介質，並且引力似乎不會因為吸引某個物體後發生衰減，只是會根據距離的不同呈現出不同程度的力。因此愛因斯坦在不斷研究後指出，引力並不是力，而是「時空塌陷」。
  • 為什麼質量會彎曲空間,空間中究竟是什麼被彎曲了?
    約翰·達菲爾德（計算機科學學位 + 物理偵探）回應說，質量實際上並不會使空間彎曲。能量的集中對周圍的空間有影響。基於廣義相對論，愛因斯坦說「引力場的能量應以與其他能量相同的方式起作用」。此外，這種能量實際上不會使周圍的空間彎曲。它只是使空間不均勻。1920年，愛因斯坦提到：「這種時空變異性的相互關係是時空標準的相互關係，『空的空間』在物理關係上既不是均勻的也不是各向同性，這一事實迫使我們用十個函數來描述它的狀態。我認為，這最終改變了空間是空的觀點。」這個非均勻空間被建模為彎曲時空，非均勻真空是彎曲時空的另一種解釋。
  • 北鬥gps衛星信號轉發器的原理和介紹有哪些?
    目前能夠提供的衛星信號轉發器，主要分為北鬥信號轉發器和gps信號轉發器，能夠接收到「三星八頻」的衛星信號。雖然針對的是兩個不同的系統和衛星信號，但是其原理是一樣的。隨著衛星導航系統的發展，生活中很多地方都離不開衛星導航。
  • 光究竟是否能被引力彎曲?繼牛頓力學後,愛因斯坦為你解答
    因此，觀察者O將觀察到兩個清晰的S：被觀察到的兩個S之間的角度不僅受物體的質量影響，同時也受光源、該物體和觀察者這三者之間的距離影響；而對於兩個星體而言，它們精準地排成一行來形成從地球上可觀察的雙重圖像這種事情是極有可能實現的，因此引力透鏡效應的產生過程可以是分毫不差的。實際上，1919年的日全食的觀察記錄正好證明了引力透鏡效應的存在和一般相對論的正確性。
  • 最新數學證明:愛因斯坦方程描述的一種特殊的時空配置不穩定
    愛因斯坦方程描述了三種典型的時空配置。現在，這三者中之一，在量子引力的研究中很重要，最新數學證明：這種特殊的時空固有地不穩定。如上面動畫所示，證明包括將少量物質注入時空，就像將石頭扔進池塘一樣，波浪起伏迴蕩，相互作用的方式最終產生了一個黑洞。