相対性理論とGPSについて

時間は、過去から未来へ同じように進みます。

そして空間は、存在しています。

しかし、多くの人にとって当たり前の感覚ですが、理論物理学者として活動していた

Albert Einstein（アルベルト・アインシュタインです）さんによる

相対性理論は異論を訴えました。

さらにGPS機能は、相対性理論を応用した技術です。

相対性理論とGPSについて

相対性理論は、アルベルト・アインシュタインさんが考案した

一般相対性理論と特殊相対性理論の総称です。

つまり、空間や時間は誰にとっても共通認識ではなく、立場によって異なる相対的な概念です。

 

①一般相対性理論は、リーマン幾何学を数学的土台として

構築された古典論的な重力場の物理学上の理論です。

つまり、重力がかかる事で時空間が歪んで時間が遅く進みます。

具体例は膨張宇宙、ブラックホール、重力波などです。

ちなみにリーマン幾何学は、数学者として活動していたGeorg Riemann

（ベルンハルト・リーマンです）さんが考案した曲面を2次元の変形と見なして

曲面上の幾何学を多次元に拡張した多次元の幾何学です。

 

②特殊相対性理論は、慣性運動する観測者が電磁気学的現象や

力学的現象に関する観測記述する物理学上の理論です。

つまり、動いているモノの時間は遅く進みます。

具体例はミンコフスキー空間、4元運動量、ローレンツ変換などです。

 

GPSは、アメリカ合衆国の軍事向け運用されている衛星測位システムです。

別名は全地球測位システム、Global Positioning Systemなどです。

つまり、衛星電波を利用して現在地を知らせてくれるシステムです。

現在は、地球上の現在位置を測定する為に活用されています。

一般的にGPS衛星を上空にある衛星からの信号をGPS受信機で受け取って、

受信者が自身の現在位置を知るシステムです。

受信機の上部を遮られない限り、地形の影響を受けて受信不能に陥る事が少ないです。

相対性理論とグローバル・ポジショニング・システムの応用について

スマートフォンや携帯電話から地図上の自分の位置を確認する事ができます。

便利なツールとして地図が活用されていますが、

実は相対性理論によってGPS機能が存在しています。

自分の位置を知らせてくれるので、初めて訪れた土地に迷う事が少なく目的地に辿り着けます。

 

GPSは、地球の周りにGPS向け人工衛星が旋回しています。

位置情報と時刻情報を電波によって発信しています。

そして電波は、スマホやカーナビなどに搭載されているGPS機能受信機で受け取ると、

電波を発信した時刻と受信したじこくの差から電波が届くまでにかかった時間が確認できます。

つまり、速さ×時間=距離です（GPS衛星から現在地までの距離が分かります）。

しかし、1つのGPS衛星からの距離の情報不足に陥ってします。

GPS衛星数が増えると、地球の球面が交差する場所を把握できます。

 

電波の速さは、秒速30万Km（キロメートルです）です。

少しのズレが生じると、大きな誤差を生みます。

正確な情報が必要になってくるので、GPS衛星は原子時計を採用しています。

つまり、300億年に1秒しか狂わない程度の正確さが実現できます。

しかし、問題点は受け手側の時計です。

電子時計について

原子は、決まった波長の光しか出せる光の振動を正確に数えると、

1秒間に何回振動するかは原子の種類によって決まります。

しかし、振動を正確に数えるのが難しいです。

原子自体も小さい存在です。

光を測定する為の装置は、m（メートルです）単位の大きさになってしまいます。

つまり、受け手側の時刻情報は誤差が生じます。

対策としては、4つ以上のGPS機能がある衛星から電波を受信して位置を特定します。

GPSについて

GPSは、大気の状態によって電波の進むスピードが変わる事、

軌道を描く事などの細かい条件が設定されています。

正確な距離を割り出す為に一般相対性理論と特殊相対性理論を応用しています。

つまり、少しのズレが大きな誤差を生む原因になるので正確な時間が重要です。

相対性理論を使用して時刻の補正をしています。