時空彎曲被證明:GPS每天可偏差11公裡

2020-11-26 驅動之家

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

  • 1919年兩支遠徵隊觀測日全食,證實了愛因斯坦時空彎曲理論
    質量越大的天體，時空旋渦就越大越猛烈，小的物體經過時就會掉入這個旋渦，看起來就被大天體吸引過去了。大質量天體的引力漩渦導致的時空彎曲，甚至可以影響通過的光線，如遠方恆星的光線經過太陽附近時也會被彎曲。愛因斯坦這個預言在廣義相對論發表不久就被科學界所證實。
  • 1919年兩支遠徵隊觀測日全食，證實了愛因斯坦時空彎曲理論
    大質量天體的引力漩渦導致的時空彎曲，甚至可以影響通過的光線，如遠方恆星的光線經過太陽附近時也會被彎曲。為了證實時空彎曲理論，1919年，英國皇家科學院派出以著名天文學家愛丁頓為首的兩支遠徵隊，一支趕到西非普林西比，一支到亞馬遜森林這兩個日全食最佳觀測地點，證實了愛因斯坦的預言。愛因斯坦預言，星光經過太陽邊緣時，會產生1.74角秒的偏差。但太陽光線太強，這點偏差平時根本無法驗證。
  • 在地球上,怎麼看不到引力產生的時空彎曲?
    原因：1.地球的質量較小，扭曲的時空曲率太小，所以我們察覺不出來。2.時空是客觀形式存在的，是表達物質運動的方向和速度，我們無法直接看到，但可以間接證明。同理光經過扭曲的時空，如果順著時空跑道拐彎，當光被我們的眼睛所接收時，反饋給我們的信息會發生偏差。就像下圖：筷子是真的彎了嗎？折射,導致光反饋的筷子的信息出現了偏差，所以筷子「折了」。如果光經過扭曲的時空也會，即可證明時空真的發生了扭曲。論證之前，我們先講明白原理。
  • 時空為什麼彎曲？
    我們認識的時空是人類視角（光速）時空，時空彎曲是由大質量天體產生，（愛因斯坦的理解）與速度有關嗎？第一宇宙速度是7.9千米/秒，物體如果達到7.9千米/秒的速度，它就會永遠地繞地球運行而不會從天上掉下來，我們也之稱為環繞速度；第二宇宙速度是11.2千米/秒，物體如果達到這個速度，將會逃離地球的束縛飛向星際空間(太陽系之內)，我們也之為脫離速度；第三宇宙速度是16.7千米/秒，若是要到太陽系外去旅行那就要達到這個速度。
  • 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。
  • 時空彎曲就是空間引力場彎曲
    時空彎曲這個概念採用空間引力場彎曲這個詞語表示比較合適。光線經過恆星表面、黑洞表面時，光子運動的方向和速度會被改變，其原因只能用引力波和暗能量這兩個未解之謎來解釋。隨著時間的推移，科學家最終真正發現引力波和暗物質，並發現引力波和暗物質的來源，但任重而道遠。
  • 用最簡單的方式解說相對論的時空彎曲
    在時空中，運動物體就如水中的筷子一樣，到達的目的地是彎曲的路線。它與水中的筷子不同在於，它表達的是三維的動態，這個動態路徑是彎曲的，而筷子僅僅是靜態的，所以是彎折的效果。同時，這個時空彎曲現在通過間接驗證的方式，證明是事實存在的，而不是我們觀察的錯覺。這與汽車在筆者的公路上勻速行駛的結果並不同。
  • 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。
  • 廣義相對論的時空彎曲效應
    愛因斯坦首先通過一個思維實驗很容易就得出了引力會使得光線彎曲的結論。你可能覺得非常難以理解，光線怎麼可能彎曲呢，我們從來也沒有見過手電筒打出去的光會有任何一絲一毫的彎曲，其實那一切不過是光的速度太快，彎曲的程度太低，我們的眼睛無法察覺。我可以用一個思維實驗很容易就向你證明——光，是不可能對任何人來說都走直線的。
  • 九，時空彎曲的實質
    所謂「時空彎曲」其實是空間和能量相互之間一一對應關係和空間變化和能量變化相互一一對應關係的表現，「時空彎曲」也許不是真實存在。 「時空彎曲」只是能量與空間一一對應關係實現的表現，「時空彎曲」只是能量變化與空間變化一一對應關係實現的表現。因為能量與空間一一對應關係實現的表現和能量變化與空間變化一一對應關係實現的表現為能量與空間的「相互轉換」對稱關係。
  • 引力子還是時空彎曲？
    這種對於大自然的好奇心，加上顛覆性的思維方式，當然也少不了專業性的物理學知識，讓愛因斯坦提出了「時空彎曲」的概念，他認為引力的本質就是「時空彎曲」！用通俗的方式理解時空彎曲，是這樣的。就像一塊彈性布料上放一個重球，這個球就會壓縮布料變形彎曲，如果這時候在布料上放一顆小玻璃球，這個玻璃球就會感受到布料的彎曲，向重球壓縮點的方向運動。不過這種通俗的方式雖然很容易理解，但也容易造成誤解，畢竟在太空中沒有上下的概念，時空也不可能只朝著一個方向彎曲。
  • 引力子還是時空彎曲?
    這種對於大自然的好奇心，加上顛覆性的思維方式，當然也少不了專業性的物理學知識，讓愛因斯坦提出了「時空彎曲」的概念，他認為引力的本質就是「時空彎曲」！用通俗的方式理解時空彎曲，是這樣的。就像一塊彈性布料上放一個重球，這個球就會壓縮布料變形彎曲，如果這時候在布料上放一顆小玻璃球，這個玻璃球就會感受到布料的彎曲，向重球壓縮點的方向運動。不過這種通俗的方式雖然很容易理解，但也容易造成誤解，畢竟在太空中沒有上下的概念，時空也不可能只朝著一個方向彎曲。
  • 時空彎曲:時間與空間原來是不可分割的
    有關計算和實驗表明，引力改變時間的效應更大一點，科學家們已經做了實驗來證明，他們把相同精度的鐘放在不同海拔的地方，實驗結果說明海拔高的地方的時鐘走得快一點，所以山頂的鐘要比山腳的鐘走得快。這就好像我們在籃球表面畫了一個圓，這個圓畫在曲面上，直徑是彎曲的，所以圓周長變小了。愛因斯坦認為，引力場讓空間發生了彎曲，引力場越大，空間彎曲得越厲害。
  • 萬有引力的本質是時空彎曲嗎?
    愛因斯坦的時空彎曲論，反映的仍是現象，並非本質。何為本質?牛頓與愛因斯坦都未涉及。愛因斯坦的時空彎曲一、宇宙為什麼需要萬有引力?沒有萬有引力就沒有時空，就沒有宇宙的生命，所以，運動與萬有引力是一對平衡力，二者的平衡維持著宇宙的生命。這是宇宙需要萬有引力的本質，而不是牛頓與愛因斯坦反映的科學現象。二、萬有引力與時空彎曲的關係假如沒有萬有引力，物質的運動將保持勻速直線運動，四散而去。
  • 時空彎曲:這個奇怪而又迷人的陳述究竟是什麼意思呢
    2020-11-18 20:20:05　來源: 菜菜葉 舉報
  • 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。
  • 時空是平直的，還是彎曲的？時空穿越應以何種形式實現？
    ，而是彎曲的，質量大的物體會改變周圍時空彎曲的曲率，從而改變時間的流淌速度，如果一個人的速度夠快，那麼他就可以在這條時間長河之中逆流而上，穿越時空。在球面上是如此，在彎曲的時空中也是如此。眾所周知，太陽作為一個大質量的天體會導致周圍時空發生彎曲，而地球圍繞太陽運動的路徑恰好就是按上述計算方法計算而出的在彎曲表面運動的最短路徑。與球面不同的是，彎曲的不僅僅是空間，還有時間，在彎曲的時空中，任何物體都擁有四個坐標，前三個坐標錨定了空間位置，最後一個坐標則表示時間。
  • 彎曲時空，引力退散
    第八講：廣義相對論8.2 彎曲時空其實不一定，比如足球是由一塊一塊很小的、比較平的皮子縫起來的，但是縫起來之後，就形成了一個表面彎曲的、球形的足球。我們的空間也是這樣，我們考慮空間中每一點很小的具有不同運動狀態的體積元，把它們粘回來，我們發現最後的空間其實是彎曲空間。不均勻的引力場導致了空間的彎曲。其實彎曲的不只有空間，彎曲的是整個時空。
  • 時空是彎曲的（上）（宇宙系列之三）
    愛因斯坦聽後，先是哈哈大笑，然後意味深長地說：「你瞧，甲殼蟲在一個球面上爬行，可它意識不到它所走的路是彎的，而我卻能意識到。」愛因斯坦意識到了什麼呢？夫天地者，萬物之逆旅也；光陰者，百代之過客也。這是李白的著名詩句，形象地表達了空間與時間是絕對的。
  • 引力波的記憶,時空的永久彎曲,尋找引力波的另一途徑
    原來黑洞合併時產生的引力波也會留下記憶，引力波產生後，會從源頭開始向外產生漣漪，經過星際空間，而引力波經過某些星際空間時，就會導致該時空被永久彎曲，而正是這樣永久彎曲的時空，讓引力波具有了留下「記憶」的行為，並且我們人類可以通過這種方式去尋找引力波。