چرا بدون نسبیت اینشتین مسیریاب گوشی از کار میافتاد؟
ماهواره های GPS هر روز ۳۸ میکروثانیه از زمان زمین جلوتر هستند و بدون نسبیت انیشتین، ناوبری تلفن دچار خطاهای شدید می شد.
هر بار که نقطه آبی را روی نقشه تلفن می بینیم، در واقع نتیجه ترکیب فناوری های مختلف را می بینیم. اما یکی از مهمترین پایه های آن چیزی است که ممکن است انتظارش را نداشته باشید: نظریه نسبیت اینشتین.
GPS برای تعیین موقعیت تنها به مختصات ماهواره ها نیاز ندارد. زمان رسیدن سیگنال ماهواره به گوشی نیز بسیار مهم است. هر ماهواره GPS مجهز به چندین ساعت اتمی است و به طور مداوم زمان و موقعیت خود را مخابره می کند. گوشی با مقایسه زمان ارسال و دریافت سیگنال از چندین ماهواره، فاصله آن تا آنها را محاسبه کرده و موقعیت آن را مشخص می کند. برای تعیین موقعیت دقیق، دریافت سیگنال حداقل چهار ماهواره ضروری است.
اما یک مشکل عجیب وجود دارد: ساعت های روی زمین و ماهواره ها با سرعت یکسانی کار نمی کنند. طبق نظریه نسبیت خاص، حرکت سریع ماهواره باعث می شود که ساعت آن هر روز حدود ۷ میکروثانیه از ساعت زمین عقب بماند. از سوی دیگر، بر اساس نسبیت عام، گرانش ضعیف تر در ارتفاع مدار GPS باعث می شود ساعت ماهواره حدود ۴۵ میکروثانیه در روز پیشروی کند. نتیجه نهایی این دو اثر این است که ساعت ماهواره ها حدود ۳۸ میکروثانیه در روز به جلو می روند.
۳۸ میکروثانیه ممکن است عدد بسیار کمی به نظر برسد. اما سیگنال GPS با سرعت نور حرکت می کند. بنابراین، کوچکترین خطا در زمان تبدیل به خطا در محاسبه فاصله می شود. NIST می گوید که اگر ساعت GPS تنها ۱۰۰ نانوثانیه خطا داشته باشد، خطای موقعیت می تواند به حدود ۳۰ متر برسد.
مهندسان GPS از همان ابتدا این اثرات نسبیتی را در طراحی و محاسبات سیستم در نظر گرفتند. ساعتهای ماهوارهها نیز به طور مرتب با ساعتهای اتمی دقیقتر روی زمین همگام میشوند تا مرجع زمانی سیستم حفظ شود. به همین دلیل، نسبیت یک مفهوم صرفا نظری برای GPS نیست. بخشی از محاسبات سیستم واقعی است.
تلفن های امروزی تنها به GPS متکی نیستند و می توانند از سیستم های ماهواره ای دیگر مانند گالیله، گلوناس و بیدو استفاده کنند. اما تمامی این سیستم های موقعیت یاب ماهواره ای با مشکل زمان بندی دقیق مواجه هستند و باید اثرات نسبیتی در آنها نیز در نظر گرفته شود.
منبع: زومیت
