驾驶室中的卫星定位系统   

如今,现代的航空导航装置是建立在无线电基础上的GPS(全球定位系统),也叫做卫星定位系统,这与汽车上的导航系统是一样的。它利用附近的24~30颗卫星来判断地球上任何一个GPS接收器所处的位置,这些卫星分布在地球周围(越来越多的卫星被送上天,让系统更加精确,所以卫星的数量一直在增加)。每颗卫星都携带着一只走时精准的计时器,并且不断地播报时间和卫星轨道的位置。通常,每只接收器需要至少4~6颗这样的卫星,以光速为单位,计算信号从卫星到达接收器所需的时间来确认自己的方位。

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作为爱因斯坦的相对论在现实中的体现,GPS提供了一个鲜活的展示。爱因斯坦提出了两类相对论——狭义相对论(special relativity)和广义相对论(general relativity)。狭义相对论描述的是运动对时间和空间的影响,而广义相对论则论述了加速和重力的意义。在后面的章节里,我们还会仔细地聊聊相对论。不过,想了解相对论对于现实的意义,GPS倒是一个不错的例子。相对论并不是毫无根据的、空谈的理论,它对我们每天都在使用的卫星定位技术有着直接的影响。

狭义相对论提出,快速走动的钟表会比我们期望的走得慢些,并预测到,和地球上的时钟相比,GPS卫星上的计时器每天差不多晚点700万分之一秒,因为它们每小时行进8600英里(约13840千米)。广义相对论告诉我们,重力也会导致时钟变慢。卫星所承受的重力牵引要比我们在地球表面上的小得多,因此,卫星上的计时器每天将多走4500万分之一秒。总的来说,卫星上的计时器每天将多走3800万分之一秒——它们的确做到了。计时器这样的偏差看起来微不足道,但卫星导航系统正是依靠着极其精准的测量来获得准确定位的。如果没有相对论指导纠正偏差,GPS系统将一无是处,仅仅一天之内,GPS所提供的方位将可能偏差好几公里。