چرا بدون نسبیت اینشتین مسیریاب گوشی از کار میافتاد؟
ماهوارههای جیپیاس روزانه ۳۸ میکروثانیه از زمان زمین جلو میافتند و بدون نسبیت اینشتین، مسیریابی گوشی دچار خطای شدید میشود.
ماهوارههای جیپیاس روزانه ۳۸ میکروثانیه از زمان زمین جلو میافتند و بدون نسبیت اینشتین، مسیریابی گوشی دچار خطای شدید میشود.
هر بار که نقطهی آبی روی نقشهی گوشی را میبینیم، در واقع نتیجهی ترکیب فناوریهای مختلفی را مشاهده میکنیم؛ اما یکی از مهمترین پایههای آن، چیزی است که شاید انتظارش را نداشته باشید: نظریهی نسبیت اینشتین.
GPS برای تعیین موقعیت، فقط به مختصات ماهوارهها نیاز ندارد؛ زمان رسیدن سیگنال ماهواره به گوشی هم اهمیت حیاتی دارد. هر ماهوارهی GPS به چند ساعت اتمی مجهز است و دائماً زمان و موقعیت خود را مخابره میکند. گوشی با مقایسهی زمان ارسال و دریافت سیگنال از چند ماهواره، فاصلهی خود تا آنها را محاسبه و موقعیتش را مشخص میکند. برای تعیین موقعیت دقیق، دریافت سیگنال دستکم چهار ماهواره لازم است.
ساعتهای روزی زمین و ماهوارهها با سرعت یکسان کار نمیکنند
اما یک مشکل عجیب وجود دارد: ساعتهای روی زمین و ماهوارهها با سرعت یکسان کار نمیکنند. طبق نسبیت خاص، حرکت سریع ماهواره باعث میشود ساعت آن روزانه حدود ۷ میکروثانیه نسبتبه ساعت زمینی عقب بیفتد. از طرف دیگر، طبق نسبیت عام، گرانش ضعیفتر در ارتفاع مدار GPS باعث میشود ساعت ماهواره حدود ۴۵ میکروثانیه در روز جلو بیفتد. نتیجهی نهایی این دو اثر، جلو افتادن ساعت ماهوارهها بهاندازهی حدود ۳۸ میکروثانیه در روز است.
۳۸ میکروثانیه شاید عدد بسیار کوچکی بهنظر برسد؛ اما سیگنال GPS با سرعت نور حرکت میکند. بنابراین کوچکترین خطا در زمان به خطا در محاسبهی فاصله تبدیل میشود. NIST میگوید اگر ساعت GPS فقط ۱۰۰ نانوثانیه خطا داشته باشد، خطای موقعیت میتواند به حدود ۳۰ متر برسد.
مهندسان GPS از همان ابتدا این اثرهای نسبیتی را در طراحی و محاسبات سیستم در نظر گرفتند. ساعتهای ماهوارهها نیز بهطور مرتب با ساعتهای اتمی دقیقتر روی زمین هماهنگ میشوند تا زمان مرجع سیستم حفظ شود. به همین دلیل، نسبیت برای GPS یک مفهوم صرفاً تئوری نیست؛ بخشی از محاسبات واقعی سامانه است.
گوشیهای امروزی فقط به GPS متکی نیستند و میتوانند از سامانههای ماهوارهای دیگری مانند گالیلئو، گلوناس و بیدو نیز استفاده کنند؛ اما همهی این سامانههای موقعیتیابی ماهوارهای با مسئلهی زمانسنجی دقیق روبهرو هستند و اثرهای نسبیتی باید در آنها نیز در نظر گرفته شود.