Checker
Writer
Ngày nay, thật dễ dàng để tìm đường trong thành phố bằng điện thoại hoặc xe hơi có chức năng GPS. Cũng đơn giản như vậy khi tải ảnh lên mạng xã hội kèm theo thẻ vị trí. Tuy nhiên, bạn có biết rằng cần cả thuyết tương đối hẹp và thuyết tương đối rộng để xác định bạn đang ở trong một quán cà phê cụ thể, chứ không chỉ là một nơi nào đó trong thành phố không?
Thuyết tương đối hẹp là thuyết nói rằng ánh sáng di chuyển với tốc độ không đổi, khiến mọi thứ trở nên ngắn hơn trong khi thời gian trôi chậm hơn ở tốc độ cao. Thuyết này được Einstein trình bày vào năm 1905 và được sử dụng để xác định những thứ như tuổi của các ngôi sao và chúng được tạo thành từ gì.
Nhưng đối với một việc tầm thường như nói với mọi người rằng bạn đang ở trong một quán cà phê, tại sao chúng ta lại cần sử dụng thuyết tương đối hẹp huyền thoại?
Và tại sao chúng ta lại cần đến thuyết tương đối rộng?
Lý thuyết đó đã sửa đổi định luật vạn vật hấp dẫn của Newton mà hầu hết chúng ta đều đã học ở trường trung học và mang đến cho nó một diện mạo hiện đại.
Lý thuyết chung được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, từ việc xác định quỹ đạo của Sao Thủy cho đến sự tiến hóa của vũ trụ và năng lượng tối.
Bạn có thấy quá đáng không khi sử dụng những vũ khí trí tuệ khổng lồ như vậy để xác định xem bạn có đang uống cà phê trong quán cà phê không?
Hệ thống GPS có thể được sử dụng để xác định vị trí chính xác của một người, do đó nó được sử dụng rất nhiều trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta.
Thời gian tín hiệu phát ra từ vệ tinh đến điện thoại sẽ xác định khoảng cách với vệ tinh đó. Bây giờ vị trí được biết là ở một khoảng cách nào đó so với vệ tinh đó; trên thực tế, bạn có thể ở bất kỳ đâu trên bề mặt của một hình cầu có vệ tinh ở tâm.
Khi khoảng cách giữa bạn và vệ tinh thứ hai được biết, vị trí hiện đã được biết trong giao điểm của hai hình cầu. Khi vệ tinh thứ ba kết nối với điện thoại, bạn đã được xác định vị trí. Đó là cách vệ tinh có thể xác định chính xác vị trí của bạn.
Các tín hiệu từ ba vệ tinh có thể được sử dụng để xác định chính xác vị trí của chúng ta trên bề mặt Trái Đất.
Thuyết tương đối hẹp của Einstein nói rằng vì vệ tinh chuyển động với tốc độ khoảng 4000 m/giây, trong khi đồng hồ trên đường xích đạo của Trái Đất chuyển động do sự tự quay của hành tinh với tốc độ khoảng 465 m/giây, nên đồng hồ vệ tinh sẽ chạy chậm hơn một chút so với đồng hồ ở đường xích đạo.
Mặc dù chúng không thực sự chạy chậm hơn do tác động của thuyết tương đối rộng, nhưng nó có tác động tổng thể đến cách chúng ta trải nghiệm thời gian.
Không chỉ đồng hồ thay đổi tần số; mọi thứ trong vệ tinh - từ sự rung động của một nguyên tử đến tần số điện - đều thay đổi do vận tốc lớn hơn. Nếu hiệu ứng này không được hiệu chỉnh một cách nhân tạo, thì sẽ có lỗi định vị là 2,13 km/ngày.
Điều này có nghĩa là nếu bạn leo núi Everest trong 3 ngày với sự trợ giúp của GPS, bạn sẽ đến được sông băng Ronghuk vào ngày thứ ba, cách đỉnh núi khoảng 6 km!
Cấu trúc không gian-thời gian xung quanh Trái Đất bị bóp méo do khối lượng của nó. Đồng hồ chạy nhanh hơn ở những nơi có nhiều sự bóp méo hơn.
Có một thuyết tương đối thứ hai, được gọi là thuyết tương đối tổng quát, đã cải tiến thuyết hấp dẫn. Đây là thuyết mà sự hiểu biết hiện tại của chúng ta về vũ trụ dựa trên.
Thật không may, tần số đồng hồ tăng nhiều hơn nhiều so với mức được bù đắp bởi sự suy giảm mà chúng ta đã thảo luận trước đó. Một lần nữa, đây không chỉ là đồng hồ; ngay cả khi một người đến và ở tại một nơi có lực hấp dẫn yếu hơn nhiều, như mặt trăng, họ sẽ có vẻ sống lâu hơn những người ở Trái đất. Tuy nhiên, trong trường hợp đó, sự khác biệt về lực hấp dẫn không đủ đáng kể để tạo ra sự khác biệt đáng chú ý về tuổi tác hoặc ngoại hình của con người.
Tuy nhiên, vì mọi thứ sẽ chậm lại, từ chuyển động và quá trình trao đổi chất đến các quá trình tế bào và nguyên tử, nên chúng sẽ không trải qua nhiều thời gian hơn chúng ta. Tương tự như vậy, những chiếc đồng hồ này sẽ chạy chậm hơn do sự thay đổi tần số hấp dẫn, về cơ bản có nghĩa là chúng sẽ tích tắc ở tốc độ khác nhau ở cường độ hấp dẫn khác nhau.
Lỗi thời gian do hiệu ứng này gây ra lớn hơn nhiều so với lỗi do chuyển động của vệ tinh. Trên thực tế, nó sẽ dẫn đến lỗi định vị khoảng 13,7 km/ngày. Lần này bạn sẽ đi sâu 40 km vào Tây Tạng sau 3 ngày kể từ khi bắt đầu lên đỉnh Everest.
Những lỗi dựa trên lực hấp dẫn này được sửa theo cùng cách như những lỗi trước đó. Mặc dù có những hiệu ứng khác đang diễn ra, nhưng thật đáng kinh ngạc khi chúng ta cần sử dụng cùng một lý thuyết để xác định khối lượng của một ngôi sao cách xa hàng nghìn tỷ km và tìm một nhà hàng ngon ở một thành phố mới!
Thuyết tương đối hẹp là thuyết nói rằng ánh sáng di chuyển với tốc độ không đổi, khiến mọi thứ trở nên ngắn hơn trong khi thời gian trôi chậm hơn ở tốc độ cao. Thuyết này được Einstein trình bày vào năm 1905 và được sử dụng để xác định những thứ như tuổi của các ngôi sao và chúng được tạo thành từ gì.
Nhưng đối với một việc tầm thường như nói với mọi người rằng bạn đang ở trong một quán cà phê, tại sao chúng ta lại cần sử dụng thuyết tương đối hẹp huyền thoại?
Và tại sao chúng ta lại cần đến thuyết tương đối rộng?
Lý thuyết đó đã sửa đổi định luật vạn vật hấp dẫn của Newton mà hầu hết chúng ta đều đã học ở trường trung học và mang đến cho nó một diện mạo hiện đại.
Lý thuyết chung được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, từ việc xác định quỹ đạo của Sao Thủy cho đến sự tiến hóa của vũ trụ và năng lượng tối.
Bạn có thấy quá đáng không khi sử dụng những vũ khí trí tuệ khổng lồ như vậy để xác định xem bạn có đang uống cà phê trong quán cà phê không?
Hệ thống GPS có thể được sử dụng để xác định vị trí chính xác của một người, do đó nó được sử dụng rất nhiều trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta.
GPS hoạt động như thế nào?
Hệ thống định vị toàn cầu hay GPS bắt đầu bằng việc điện thoại của bạn nhận tín hiệu từ bất kỳ 4 trong số 24 vệ tinh quay quanh Trái đất. Tại sao lại là 4? Vâng, ba trong số chúng được sử dụng để xác định vị trí và vệ tinh thứ 4 được sử dụng để hiệu chỉnh vị trí đã xác định. Nhưng chính xác thì việc nhận tín hiệu từ các vệ tinh này xác định vị trí của bạn như thế nào?Thời gian tín hiệu phát ra từ vệ tinh đến điện thoại sẽ xác định khoảng cách với vệ tinh đó. Bây giờ vị trí được biết là ở một khoảng cách nào đó so với vệ tinh đó; trên thực tế, bạn có thể ở bất kỳ đâu trên bề mặt của một hình cầu có vệ tinh ở tâm.
Khi khoảng cách giữa bạn và vệ tinh thứ hai được biết, vị trí hiện đã được biết trong giao điểm của hai hình cầu. Khi vệ tinh thứ ba kết nối với điện thoại, bạn đã được xác định vị trí. Đó là cách vệ tinh có thể xác định chính xác vị trí của bạn.
Các tín hiệu từ ba vệ tinh có thể được sử dụng để xác định chính xác vị trí của chúng ta trên bề mặt Trái Đất.
Thuyết tương đối hẹp ảnh hưởng đến vị trí GPS như thế nào?
Cho đến nay, chúng ta có thể sử dụng toán học cơ bản có từ thời Euclid để có được các điểm dữ liệu này. Thuyết tương đối của Einstein đi vào vấn đề là đồng hồ trên vệ tinh không chạy với tốc độ chính xác giống như đồng hồ trên Trái đất. Trên thực tế, thuyết tương đối tổng quát và thuyết tương đối hẹp ảnh hưởng đến tốc độ đồng hồ, nhưng hãy xem xét thuyết tương đối hẹp để bắt đầu một cách đơn giản, trước khi chuyển sang các hiệu ứng của thuyết tổng quát.Thuyết tương đối hẹp của Einstein nói rằng vì vệ tinh chuyển động với tốc độ khoảng 4000 m/giây, trong khi đồng hồ trên đường xích đạo của Trái Đất chuyển động do sự tự quay của hành tinh với tốc độ khoảng 465 m/giây, nên đồng hồ vệ tinh sẽ chạy chậm hơn một chút so với đồng hồ ở đường xích đạo.
Mặc dù chúng không thực sự chạy chậm hơn do tác động của thuyết tương đối rộng, nhưng nó có tác động tổng thể đến cách chúng ta trải nghiệm thời gian.
Không chỉ đồng hồ thay đổi tần số; mọi thứ trong vệ tinh - từ sự rung động của một nguyên tử đến tần số điện - đều thay đổi do vận tốc lớn hơn. Nếu hiệu ứng này không được hiệu chỉnh một cách nhân tạo, thì sẽ có lỗi định vị là 2,13 km/ngày.
Điều này có nghĩa là nếu bạn leo núi Everest trong 3 ngày với sự trợ giúp của GPS, bạn sẽ đến được sông băng Ronghuk vào ngày thứ ba, cách đỉnh núi khoảng 6 km!
Sửa lỗi
Các lỗi phát sinh về thời gian và khoảng cách được phát sóng bởi vệ tinh và các hiệu chỉnh cần thiết được tính toán bằng thuyết tương đối hẹp của phần mềm để khi bạn cố gắng lên đỉnh Everest, bạn thực sự sẽ đến được đỉnh chứ không phải một sông băng nào đó cách đó sáu km. Tuy nhiên, đó không phải là hiệu ứng tương đối duy nhất xảy ra khi nói đến GPS.
Cấu trúc không gian-thời gian xung quanh Trái Đất bị bóp méo do khối lượng của nó. Đồng hồ chạy nhanh hơn ở những nơi có nhiều sự bóp méo hơn.
Có một thuyết tương đối thứ hai, được gọi là thuyết tương đối tổng quát, đã cải tiến thuyết hấp dẫn. Đây là thuyết mà sự hiểu biết hiện tại của chúng ta về vũ trụ dựa trên.
Thuyết tương đối tổng quát bắt đầu có hiệu lực
Do tác động của thuyết tương đối rộng này, đồng hồ trên vệ tinh, chịu lực hấp dẫn yếu hơn nhiều so với đồng hồ trên đường xích đạo, sẽ chạy nhanh hơn. Thuyết tương đối hẹp trước đó có tác dụng ngược lại, vì vậy nếu sự tăng và giảm này có cùng độ lớn, chúng sẽ đơn giản là triệt tiêu lẫn nhau.Thật không may, tần số đồng hồ tăng nhiều hơn nhiều so với mức được bù đắp bởi sự suy giảm mà chúng ta đã thảo luận trước đó. Một lần nữa, đây không chỉ là đồng hồ; ngay cả khi một người đến và ở tại một nơi có lực hấp dẫn yếu hơn nhiều, như mặt trăng, họ sẽ có vẻ sống lâu hơn những người ở Trái đất. Tuy nhiên, trong trường hợp đó, sự khác biệt về lực hấp dẫn không đủ đáng kể để tạo ra sự khác biệt đáng chú ý về tuổi tác hoặc ngoại hình của con người.
Tuy nhiên, vì mọi thứ sẽ chậm lại, từ chuyển động và quá trình trao đổi chất đến các quá trình tế bào và nguyên tử, nên chúng sẽ không trải qua nhiều thời gian hơn chúng ta. Tương tự như vậy, những chiếc đồng hồ này sẽ chạy chậm hơn do sự thay đổi tần số hấp dẫn, về cơ bản có nghĩa là chúng sẽ tích tắc ở tốc độ khác nhau ở cường độ hấp dẫn khác nhau.
Lỗi thời gian do hiệu ứng này gây ra lớn hơn nhiều so với lỗi do chuyển động của vệ tinh. Trên thực tế, nó sẽ dẫn đến lỗi định vị khoảng 13,7 km/ngày. Lần này bạn sẽ đi sâu 40 km vào Tây Tạng sau 3 ngày kể từ khi bắt đầu lên đỉnh Everest.
Những lỗi dựa trên lực hấp dẫn này được sửa theo cùng cách như những lỗi trước đó. Mặc dù có những hiệu ứng khác đang diễn ra, nhưng thật đáng kinh ngạc khi chúng ta cần sử dụng cùng một lý thuyết để xác định khối lượng của một ngôi sao cách xa hàng nghìn tỷ km và tìm một nhà hàng ngon ở một thành phố mới!
