Kasdien naudojatės navigacija telefone, kad rastumėte kelią iki artimiausios kavinės ar nepažįstamo miesto adreso? Tikriausiai nesusimąstote, kad jūsų kišenėje slepiasi tiesioginis įrodymas, jog Albertas Einšteinas buvo teisus. Visuotinės padėties nustatymo sistemos (GNSS) veikimas yra geriausias pavyzdys, kaip grynoji fizika ir reliatyvumo teorijos, kadaise laikytos tik teorine abstrakcija, šiandien yra būtinos praktinės inžinerijos dalys. Be tikslių reliatyvistinių pataisų jūsų navigacija jau po pirmos paros rodytų vietą su kelių kilometrų paklaida.
Einšteino teorijų kova orbitoje
Siekdamas užtikrinti tikslumą, GPS, Galileo, BeiDou ar GLONASS tinklas remiasi atominias laikrodžiais, esančiais palydovuose, skriejančiuose 19 140-23 222 km aukštyje virš Žemės. Šioje aplinkoje laikrodžius vienu metu veikia du priešingi reliatyvistiniai reiškiniai: specialioji reliatyvumo teorija (SRT) ir bendroji reliatyvumo teorija (BRT).
Greičio įtaka (SRT). Palydovai aplink Žemę skrieja milžinišku – apie 3,9 km/s (14 000 km/h) – greičiu. Pagal SRT, kuo greičiau objektas juda stebėtojo atžvilgiu, tuo lėčiau jam bėga laikas (laiko sulėtėjimas dėl greičio). Žemėje esančio stebėtojo atžvilgiu, judantys palydovo laikrodžiai vėluoja.
Gravitacijos įtaka (BRT). Laiko eiga taip pat priklauso nuo gravitacinio lauko stiprumo. Palydovai yra gerokai toliau nuo Žemės centro nei mes, todėl jie patiria silpnesnę gravitaciją. Pagal BRT, silpnesnėje gravitacijoje laikas teka greičiau (gravitacinis laiko pailgėjimas).
Kodėl palydovų laikrodžiai skuba?
SRT ir BRT įtaka satų laikrodžių parodymams sukeltų vietos nustatymo paklaidą 11,4 km per parą
Dėl didelio orbitinio greičio (SRT efektas), palydovo laikrodis per parą atsilieka maždaug 7 mikrosekundėmis, dėl susilpnėjusios Žemės gravitacijos (BRT efektas), tas pats laikrodis skuba maždaug 45 mikrosekundėmis. Gaunamas palydovo laikrodžio skubėjimas 38 mikrosekundėmis.
Siekdami tai išspręsti, dar prieš iškeliant palydovus į kosmosą, inžinieriai pakoreguoja jų atominių ir kvarcinių generatorių dažnį. Vietoj standartinio 10,23 MHz dažnio, laikrodžiai suprogramuojami veikti šiek tiek lėčiau – 10,22999999543 MHz dažniu. Pakilus į 19 140-23 222 km aukščio orbitas ir pasireiškus reliatyvumo dėsniams, šis dažnis paspartėja iki tikslaus 10,23 MHz, idealiai sutampančio su laikrodžiais Žemėje.