相对论这个事也不是民科不民科的问题,卢鹤绂院士反对相对论的论文被PRL审了五次,最后也没挑出毛病,但就是到最后也没给发表,Louis Essen就更惨了,反对相对论第二年直接就被退休了。爱因斯坦天天质疑量子力学不也一点事没有?但是卢鹤绂、Essen这些人就得不到爱因斯坦的待遇了。
我在科学院是现场听过梁灿彬老师的相对论课的,但我现在可以确定,他讲的GPS必须使用相对论否则无法定位那一节是肯定有错的。大概叙述一下吧。
一,如果相对论正确,则由于狭义相对论和广义相对论的叠加,在地面上看来,GPS卫星上的时钟走时会快38微秒/天。具体计算参见梁老师《从零学相对论》一书。
二,梁老师借此论证了GPS必须使用相对论调慢时钟否则无法定位。
如果地面上GPS接收机在某已知时刻 同时收到三颗卫星的坐标
那么我们设此时GPS接收机的坐标是 设光速为 则卫星和接收机的距离等于光速乘以时间差。由勾股定理得到方程组
如果相对论正确,卫星发射前没有把星载时钟调慢,则 每天都会积累38微秒的误差,乘以光速c则有11.4公里之巨。那么,由上述方程组解出的 也必然有公里级别的误差,无法实现定位。
三,梁老师的论证错在何处。
在真实的GPS系统中,接收机是无法提供准确的时间 的。事实上,能够提供微秒级以下精度的原子钟是相当昂贵的,不可能用在民用的GPS接收机中。不要说智能手机,即使是高级的GPS接收机,也只可能配备廉价的石英钟。在GPS系统建立的时期,走时误差在0.5秒/天之内的石英钟都已经堪称优质产品了;即使是现在,走时误差在5秒/年,也就是约14000微秒/天的产品都可以称为奢侈品了。如果 每天积累38微秒的误差都导致GPS无法定位,那么 每天动辄上万微秒的误差就更会导致GPS无法定位了。
四,现实中的GPS如何定位。
现实中的GPS系统不需要接收机提供准确时间 事实上,它不是使用三星定位,而是四星定位。设在某时刻GPS接收机同时收到四颗卫星的坐标
设此时接收机的坐标是 那么我们有方程组
由这四个方程就可以解出 这四个未知数。
五,现实中的GPS定位并不必须调慢时钟。
如果相对论正确而钟表没有调慢,因为相对论产生累积误差,正确的时间坐标是 ,实际上收到的时间坐标却是 ,那么会影响定位吗?
实际上不会。事实上,如果 是方程
的解,那么由简单的计算就可以验证, 也是
的解。
也就是说,方程组解出的空间坐标是不变的,只有时间坐标有微不足道的误差
六,严格意义上GPS因相对论会产生多大误差。
如果相对论正确,那么在GPS卫星发出信号到地面接收机收到信号的时间里,其他GPS卫星上的时钟也仍然在变慢,那么的确会对定位有一些影响,但这个影响并不会累积。时间影响不超过GPS信号从发射到接收的时间(小于0.5秒)内星载时钟产生的相对论误差,因此不超过 38微秒*0.5/86400=0.00022微秒,乘以光速后对距离的影响约为 米,也就是不到7厘米。这么小的误差是完全可以接受的。
本来不应该判这么重,无良媒体煽风点火。