GPS衛星為何會用相對論去修正時間?但最常見的解釋卻是錯誤的

2020-12-03 科學探索家

對科學領域抱有興趣的各位讀者,可能大家或多或少都有聽過這樣一條科普知識:GPS衛星在運作時,衛星時間與地面時間有差異,而產生差異的一部分原因需要用到相對論去解釋,也就是說GPS存在一個相對論時間修正項。

(注意:本文公式略多,可以忽略不看,不影響大意)

上述只是概括性的描述,而對此十分好奇的讀者再進一步尋找解釋時,會在很多科普文章中見到這樣一條似乎已經形成共識的說法(也就是為何會用到相對論去修正時間):

GPS時間修正需要考慮到兩個方面,一個是狹義相對論修正,因為衛星存在高速運動;另一個就是廣義相對論修正,因為衛星與地面的高度差不可忽略,也就是引力勢不同(或者說不同高度的引力場強不同)

如果這些文章更加深入一點,會將兩個方面的公式寫出來,如下圖:

第一個公式大家都很熟悉了,狹義相對論中的鐘慢效應,其中v是衛星的軌道速度(GPS衛星的軌道近乎圓形),相對於地面上的物體來說,速度越快,衛星上的時間越慢。

第二個公式可能有些不熟悉,但理解依舊簡單,這是廣義相對論中的引力鍾慢公式,G是引力常數,M是地球質量,r為衛星離地心的距離,可以看出當衛星的高度越高時,衛星的時間就過得比地面更快。

但考慮到地球存在自轉,因此地表上的物體(就認為也是一個鍾吧,畢竟GPS衛星內部都帶有原子鐘的)也存在上述的兩個效應,所以將上述公式綜合一下變為如下

其中t為無窮遠處的鐘讀數,T為物體自身的時間讀數,並且將此公式稱為公式A

有了這樣的公式我們就可以動手算一下衛星和地面時鐘走時的差異,以地面鍾走24小時為基礎,我們發現GPS衛星每天要比地面時間快約38微秒。

此時我們再去網上搜索相關文獻,會發現算出來的結果和文獻是一樣的。先不要高興得太早,但如果你仔細分析一下這個過程,你會發現似乎這樣的結論從一開始就站不腳,因為狹義相對論與廣義相對論的分界是非常清晰的,涉及到時空是否平直或彎曲,在平直時空裡的物理問題屬於狹義相對論範圍,以此類推彎曲時空就是廣義相對論。

這種解釋利用了狹義與廣義兩個方面,那不經要問:GPS衛星所處的時空到底有沒有彎曲啊?

很顯然,這種解釋是做了某種近似。先說答案,衛星所處的時空自然是彎曲的,這一點毫無爭議,因此這純粹就是一道廣義相對論的問題,但為什麼又能摻雜狹義相對論呢?因為地球對時空彎曲的影響很微弱,也就是地球周圍的時空可以近似地當作平直,於是咱們就能利用上狹義相對論了。

雖然這種公式A的解釋似乎非常清晰且容易理解,而且計算的結果精度非常高。

但對於不太了解相對論的朋友,這樣的解釋會直接造成很嚴重的誤解

他們會認為不論什麼場景下都可以這樣去分析。如果換做黑洞附近呢?你還能把時空當作平直嗎?很顯然是不能的,自然狹義相對論就不能用了。

以最簡單的黑洞——史瓦西黑洞為例,除了我們常說的事件視界(其半徑為史瓦西半徑),其實史瓦西黑洞還擁有一圈光子層,顧名思義就是光子繞著黑洞轉圈,但是我們不要想當然的認為這個光子層的半徑就是史瓦西半徑,實際上是1.5倍史瓦西半徑。

再者光子有坐標速度一說,可以算出光子層光子的切向速度(其值遠低於我們常說的每秒30萬公裡),如此一來我們將數據代入公式A,很容易發現,光子的固有時竟然不為零了,這顯然是錯的,如果用下面講到的公式B則不存在問題。

此外如果有朋友真想知道那個第二個公式的由來怎麼辦?解釋那個公式並不比純粹的廣義相對論解更加容易,所以說這樣的解釋根本沒有必要,非但容易造成誤解,而且深入解釋也不佔優勢。

所以咱們下面就直接給出純粹的廣義相對論對GPS時間的修正(公式B)

可以看到公式並沒有想像中的複雜,其中個字母代表的含義也和上面相同,且算下來的結果依舊是38微秒。(注意:這個公式是基於史瓦西時空所得,如果最精確的考慮,由於地球自轉、帶電,是需要在克爾紐曼時空計算的,但史瓦西時空給出的答案精確度已經很高,就沒必要再介紹更複雜的了,放到科普文章也不好)

可能這裡又有朋友產生疑惑了,為什麼錯誤解釋和正確解釋得到的答案是一樣的呢?其實原因顯而易見,除了上面講到時空可以看作近似平直之外,公式中的列如(2GM/rc^2)、(v/c)^2這些數值算下來都是非常非常小的。

如果稍微麻煩下,你可以對公式A、B進行一次展開,取一級近似發現兩個公式竟然都變成了如下公式

這也直接說明了,為什麼錯誤解釋還能給出正確答案的原因(所謂正確,就是指精度高)。

總的來說,我們常說的GPS衛星時間需要狹義和廣義相對論去修正是不準確的,實際上這只是一個廣義相對論問題而已,不關狹義相對論的事。

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