GPS:廣義相對論在日常生活中的首次應用

2020-12-05 天文同好樂園

1960年,物理學家羅伯特·龐德和格倫·雷巴克在實驗中測量到了「引力紅移」,這是愛因斯坦早就預測過的廣義相對論的一種效應。這項測量對精確度的要求極高,因此一直難以完成。在苦等了40年之後,這項愛因斯坦關於引力行為的第3個預測最終被證實(前兩個預測分別是光的彎曲和水星軌道的額外進動,第4個預測是引力波的存在)。

什麼是「引力紅移」呢?簡而言之,當光波從強大的引力場逃逸時,它的波長會被拉長,從而顏色變得更「紅」。龐德和雷巴克在哈佛大學的校園裡設計了一項實驗測量這一效應,他們在地表放置了由處於激發態的原子躍遷回基態的時候輻射出的伽瑪射線,對準在物理實驗室大樓頂端幾層樓高的塔頂。輻射經過約22米的路程達到塔頂,伽瑪射線的波長確實被地球的引力拉長了一點,這與愛因斯坦的預測完全吻合。

我們怎麼理解這種波長被「拉長」的現象呢?你可以把光波看作是彈簧,在它向地表之上彈出去試圖脫離地球引力的時候,彈簧被拉長了。當光波的波長變長時,光波的頻率,即每秒鐘經過我們的波的次數減少了。如果將伽瑪射線當做一個時鐘,那麼由於地球引力場的作用,「時鐘的滴答聲」變慢了。也就是說,和太空中的時鐘相比,地球上的時鐘走得更慢,原因正是引力紅移效應。

在我們的日常生活中不會注意到這個變化,因為我們身體裡的原子也變慢了,只有通過比較,我們才能確認這種效應。在太空軌道上的時鐘相對地面上的時鐘感受到的引力會弱很多,所以相比之下會走得快一些。安裝在全球定位系統(GPS)衛星上的高穩定時鐘遠離地球,所以會比地球時鐘走得快一些,由此造成兩個時鐘之間出現時間誤差。

因此,根據廣義相對論原理,科學家必須安裝定期修正時間誤差的程序,從而確保GPS對我們在地球上的汽車、輪船和飛機的導航定位不會出現大的偏差。可以這樣說,這是廣義相對論在我們日常生活中的首次成功應用,並且成為不可或缺的一項應用。

當然,時鐘減慢多少其實取決於引力場的強度。如果一個人能奇蹟般地生活在重力是地球一萬億倍的中子星上,如果不考慮其他因素,很顯然,他變老的速度會比生活在地球上的人要慢。在地球上時光流逝了10年,而在這顆中子星上時光只流逝了8年。這也正是廣義相對論的奇妙之處。

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    圖1 創建狹義相對論時的愛因斯坦愛因斯坦認為,自己的相對論與牛頓物理學的分水嶺不是「 相對性原理」,而是「光速不變原理」。「光速不變原理」完全是愛因斯坦一個人提出的。這一原理直接導致「同時的相對性」。「光速不變原理」和「同時的相對性」是與人們的日常生活觀念完全牴觸的,也是與伽利略變換不相容的。
  • 牛頓理論讓衛星上天,相對論讓GPS精確,楊振寧理論有何應用?
    作為經典物理學的開創者,牛頓創立的物理學理論至今還與我們的生產和生活息息相關,例如,衛星上天離不開牛頓力學。不過,在某些方面,牛頓力學並不適用,這需要用到適用範圍更廣的相對論。作為現代物理學最重要的奠定人,愛因斯坦創立的相對論讓我們深入地了解了這個世界的規律。在速度接近光速以及在強引力場的情況下,牛頓力學無法適用,只能用相對論,這已經得到了大量實驗的證實。事實上,牛頓力學是相對論在低速、弱場下的近似理論。相對論的一個最重要應用是導航衛星(包括GPS和北鬥衛星)的時鐘校準。
  • 愛因斯坦的廣義相對論是什麼?
    廣義相對論是現代物理學的主要組成部分。它基於空間的「彎曲」能力來解釋引力,或者更準確地說,它將引力與時空的幾何變化聯繫起來了。1915年,阿爾伯特·愛因斯坦創立了廣義相對論(GRT),即這個「特殊」理論誕生十年之後,應用光速,並假設物理定律在任何給定的參照系中保持不變。
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    從1916年愛因斯坦的預言,到2016年2月首次確定探測到引力波信號,人類為了這最後1秒的相遇,苦苦探尋百年。   為什麼愛因斯坦會有引力波的預言呢?關於引力波中的引力與萬有引力中的引力又有什麼關係呢?讓我們從頭說起。   廣義相對論對萬有引力幹了什麼?
  • 廣義相對論首次在超大黑洞附近獲驗證
    一個國際天文學家團隊26日宣布,他們利用大型地面望遠鏡對銀河系中心進行觀測,第一次證實超大黑洞附近的引力場效應與廣義相對論百餘年前的預測「完美符合」。  根據愛因斯坦的廣義相對論,光線在強引力場作用下會出現拉伸現象,波長變長,向紅波方向偏移,這被稱為引力紅移效應。黑洞具有超強引力,甚至連光都無法從中逃逸,被認為是檢驗廣義相對論強引力場理論的「完美實驗室」。
  • 100年前的這次日食,首次驗證了廣義相對論
    「只有3個人懂廣義相對論」事情還要從愛因斯坦寫出愛因斯坦廣義相對論的引力場方程那時說起。1915年,愛因斯坦寫出了廣義相對論引力場方程,這個方程裡用到了當時很高深的數學——黎曼幾何。在這個過程中,愛因斯坦得到了數學家格羅斯曼與希爾伯特的幫助,基本上把這裡面的數學問題都搞清楚了——剩下沒解決的問題,就是需要用物理實驗來驗證這個理論的正確性了。愛因斯坦開始宣傳自己的廣義相對論。
  • 愛因斯坦的廣義相對論在地球表面上再次被證明是正確的
    廣義相對論是現代物理中基於相對性原理利用幾何語言描述的引力理論。該理論由愛因斯坦自1907年開始發展,最終在1915年基本完成。廣義相對論將經典的牛頓萬有引力定律與狹義相對論加以推廣。在廣義相對論中,引力被描述為時空的一種幾何曲率屬性,而時空的曲率則通過愛因斯坦場方程和處於其中的物質及輻射的能量與動量聯繫在一起。
  • 愛因斯坦的廣義相對論是什麼理論?
    簡單來說,愛因斯坦在一百多年前創立的廣義相對論是一種引力理論,描述宇宙中天體的引力作用。關於引力理論,我們最早接觸到的是牛頓在17世紀提出的萬有引力定律。那麼,愛因斯坦的引力理論與牛頓的有什麼區別呢?直到20世紀初,愛因斯坦提出了廣義相對論,水星近日點進動問題才得到完美的解釋。根據廣義相對論,空間不像牛頓所描述的那樣是絕對平直的,而是會在質量和能量的作用下發生彎曲。在彎曲的空間中,天體與光都會沿著測地線運動,由此表現出引力效應。
  • 什麼是狹義和廣義相對論,在現實生活中的意義,與萬有引力的博弈
    什麼是廣義相對論呢,廣義相對論:主要是指空間扭曲,當一個很大的質量的物體可使空間凹陷。太陽周圍的空間在太陽還沒有來之前是一個很平的平面,因為太陽的質量較大使得原本很平的空間,出現了凹陷,而八大行星就是因為凹陷「滾落」下來的。
  • 廣義相對論:愛因斯坦在史無前例的引力紅移測試中獲勝
    在一個新結果中,愛因斯坦的理論得到了前所未有的證實。這是一張銀河系和周圍天空中恆星密度的地圖,清晰地顯示了銀河系、大小麥哲倫星雲以及其他星系。但是測量銀河系的恆星本身是有挑戰性的,因為生活在銀河系中使我們無法看到所有的恆星及其內部運動。阻擋光線的塵埃模糊了我們對星系平面上恆星的看法,尤其是對星系中心的看法。
  • 相對論沒有用?告訴你,相對論的應用就在我們身邊
    狹義相對論:關於不存在引力的時空的理論廣義相對論:關於存在引力的時空的理論,如地球附近的時空固有時:某一物體自身經歷的時間,稱為其固有時。該物體隨身攜帶的鐘所計的時間等於就固有時。調皮的愛因斯坦經常有朋友問,相對論這麼高深的東西,聽都聽不懂,也沒有實際意義,因為生活中根本用不著。
  • 給最美的廣義相對論找找「茬」
    大多數物理學家已經確信,廣義相對論並不是引力的最終定論。這是因為該理論主要應用在恆星和星系的規模,和量子理論沒有交集。量子理論是現代物理學的另一塊基石,針對的是原子和亞原子粒子級別的微觀世界。科學家們覺得,這兩個基本理論的依託是一個量子引力理論,廣義相對論和常規量子理論是它的絕佳近似值。
  • 狹義與廣義相對論淺說---廣義相對論1
    決定繩子的張力的大小的是物體的慣性質量,」我們從這個例子看到,我們對相對性原理的推廣隱含著慣性質量和引力質量相等這一定律的必然性。這樣我們就得到了這個定律的一個物理解釋。  根據我們對作加速運動的箱子的討論,我們看到,一個廣義的相對論必然會對引力諸定律產生重要的結果。事實上。對廣義相對性觀念的系統研究已經補充了好些定律為引力場所滿足。
  • 這很物理:時間的形狀、廣義相對論中的時間測量
    在廣義相對論中,由於光速在真空中不變,物體的周期性運動軌跡也會受到運動速度的影響,所以實際觀測到的周期性運動物體的軌跡就與牛頓力學中的軌跡不同,自然時間的形狀也就不同。討論時間的形狀,就是在討論在廣義相對論中的客觀測量的問題。
  • 科普:廣義相對論中愛因斯坦場方程的導出
    當然,如果說的更科普一些,哲學的觀點在廣義相對論的創立上起了很大的推動作用,這一點與狹義相對論截然不同,狹義相對論的數學公式有著標準、嚴格且完全自洽的推導過程。改天,我們也寫一篇科普的文章來討論一下狹義相對論的推導過程,今天我們專注於愛因斯坦場方程的推導過程,從而去稍微的感受一下:哲學或者數學是如何影響並加速物理進程的。
  • 狹義相對論和廣義相對論的區別是什麼?
    要了解狹義相對論和廣義相對論的區別,我們首先要搞清楚,這兩個理論大概說了什麼?狹義相對論我們先從狹義相對論說起,其實狹義相對論解決了一個物理學的重大矛盾。你會發現,為什麼要麼和時間,要麼和長度(空間)有關,這其實就和狹義相對論要統一的對象有關,狹義相對論統一了時間和空間。愛因斯坦認為時間和空間並不是分離的兩個物理量,它們會受到運動的影響。所以,我們要把它們結合起來研究,並稱為時空。由於我們生活在三維的空間內,所以也可以叫做三維時空。而光速則是三維時空的一個特殊屬性,描述了兩個事件之間的時空間隔。
  • 廣義相對論和狹義相對論
    先來說狹義相對論。簡單來說,狹義相對論是一種新的時空觀,在這種時空觀中,物體的運動速度會影響其質量,空間,以及時間。這個看似古怪的理論其實已經經過無數實驗的證明。下面來說說廣義相對論。對於廣義相對論,有一個著名的解釋,「spacetime tells matter how to move; matter tells spacetime how to curve」,來自物理學家Wheeler。意思是,時空決定物質如何運動,物質決定時空如何彎曲。
  • 時空的囚籠,廣義相對論預言的宇宙中最奇特天體——黑洞簡史
    根據牛頓引力理論,光會從其表面往上射出後,在逃離引力場過程中損失動能,最終沿拋物線落回天體表面。我們在遠處看,由於沒有光能達到我們的眼睛,它們將是完全黑暗的。這就是愛因斯坦的廣義相對論作出的幾個理論預言之一——星光偏折現象。
  • 顛覆物理世界的廣義相對論
    廣義相對論認為質點在引力場中是沿著彎曲時空的短程線運動,這種把引力場「幾何化」的物質運動理論在深度和廣度上都拓寬並發展了牛頓的引力理論。在對這些現象進行建立模型的過程中,廣義相對論都起到了關鍵作用。目前,黑洞也是引力波探測的重要目標之一:黑洞雙星的合併過程可能會輻射出能夠被地球上的探測器接收到的某些最強的引力波信號,這成為在大尺度上探測宇宙膨脹的一種手段;恆星質量黑洞等小質量緻密星體落入超大質量黑洞的這一過程所輻射的引力波,能夠直接並完整地還原超大質量黑洞周圍的時空幾何信息。這些都是目前利用黑洞理論所開展的研究應用。
  • 狹義相對論和廣義相對論到底有啥區別?
    之前的所有文章,我們多次談到相對論中的時間膨脹和長度收縮概念,其實這裡所說的相對論僅僅是狹義相對論,其中長度收縮僅僅是一種相對效應,也就是地面人看運動的物體,長度變短了,但是運動物體自己看自身,長度依然是沒變的,這就是長度的相對性,如果不理解這個,可以翻翻前面的文章看下。