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清纯诱惑 四台铯原子钟巨匠遨游考证了相对论, 如今的GPS是最平直应用!
发布日期:2024-10-17 10:40    点击次数:133

清纯诱惑 四台铯原子钟巨匠遨游考证了相对论, 如今的GPS是最平直应用!

在相对论的繁密想法中,对于时期的动态变化似乎让好多东说念主感到困惑清纯诱惑,以致不平。这种状况的背后,其实是咱们的普通教授与相对论的颠覆性论断发生了冲破。比如,东说念主们时常以为时期是公说念的,对每个东说念主皆对等忘我,但相对论却声称事实并非如斯。

以狭义相对论的“钟慢效应”为例,它告诉咱们,在沟通的参考系中,畅通速率较快的物体或时钟,其荏苒的时期会显得较为缓缓。而广义相对论里的“重力时钟效应”则论述了,在重力较大的地点,雷同的时钟比在重力较小处走得更慢——也即是说,在较低的地点时期的荏苒速率慢于高处。

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对于这些论断,好多读者可能会感到难以置信,以致有东说念主怀疑:“相对论不外是借助了光速的便利。”因为根据相对论,这些效应在速率接近光速时才变得显耀。但毕竟东说念主造物体的速率远不足光速,咱们又奈何能考证其真伪呢?

可是,科学家哈费勒和基廷简直对此进行了本质。尽管东说念主造物的速率并不算快,但他们使用高精度的成立仍是粗略捕捉到微弱的时期各异。

在1971年,这两位科学家捎带几台铯原子钟,其中四台放在飞机上,一台留在大地四肢基准钟。飞机在赤说念隔邻沿着两个宗旨——向东和向西——永别遨游一次,每次耗时约三天,最终通过对比飞机和大地原子钟的时期来进行辩论。

刻下让咱们来贯通这个本质:

当先,一个色导航原子钟四肢一种高精度的时期测量器具,它的舛讹不错截止在千万年一秒以内,用它来检测时期的轻飘变化再稳当不外。

其次,飞机的巨匠飘舞不错同期考证相对论的两种效应。飞机的速率与巨匠遨游的距离综相助用,使得狭义相对论的时钟放慢效应变得昭彰;而遨游的高度则展现了广义相对论的重力时钟效应。(尽管这里分开培植,但骨子上仅用广义相对论也能得出相似的论断,稍后会详备论述)

临了,本质的恶果有用地阐述了相对论的准确性,况且批驳了那些基于时钟悖论或双生子悖论来质疑相对论的论调。(值得一提的是,GPS卫星的时期修恰是一个更高档的版块清纯诱惑,稍后也会说起)

咱们再来粗浅探讨一下表面筹办的中枢:

当先,大地上的原子钟与不雅察者保抓一致,因为它与不雅察者的速率和重力势沟通,因此不错先对大地的铯原子钟进行分析。

磋议到地球的自转速率(与纬度关联),狭义相对论效应下,原子钟的时期变化不错被筹办出来。同期,尽管它位于大地,但广义相对论中的效应也不行忽略,因为这波及到原子钟距离地心的距离,即地球半径。

由此,咱们不错得出大地原子钟相对于地心钟的时期变化。

再来不雅察飞机上的四台铯原子钟,由于飞机分两次遨游,向东和向西,飞机相对于地心的速率会发生变化。顺着地球自转宗旨时,飞机的速率是自转速率与飞机能源之和(尽管微弱,但相对论的速率重复在低速情况下与此进出无几);若逆向自转,飞机相对于地心的速率则会降速。

在狭义相对论中,飞机两次遨游宗旨的不同,变成了时期上的显耀各异(相对于原子钟的计时而言)。

飞机在遨游历程中会离开地表,天然高度不固定,但这并不影响表面筹办,因为引力效应会使飞机上的时期比大地快。

临了,让咱们望望本质的骨子恶果:

向东遨游一圈后,飞机上的时期比大地慢了约59纳秒;向西遨游时,飞机时期则比大地快了273纳秒。不错看出,即使在舛讹限制内,飞机向东西遨游一圈后原子钟的时期各异额外昭彰,与相对论的权衡值高度吻合。

淌若这个本质还不足以令东说念主确信,那么GPS导航系统则提供了一个平直的把柄。把飞机的遨游速率和高度提高,不即是东说念主造卫星吗?

GPS卫星里面也装有原子钟,需要进行相对论修正,不然每天的定位舛讹将高达11公里,这么的精度是无法被收受的。

至于GPS卫星的时期修正旨趣,与飞机巨匠本质无异,因此不再赘述。

临了,基于史瓦西时空给出一个广义相对论的筹办公式:

公式中波及引力常数G、地球质料M、物体离地心的距离r、物体相对于地心的速率v以及光速c。

运用该公式对大地和高空的原子钟永别进行筹办,并相减,就不错获得恶果。对于飞机巨匠遨游清纯诱惑,恶果如上表所示;对于GPS卫星,则可得出卫星时期每天比大地快38微秒。



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