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对科学领域抱有兴趣的各位读者，可能大家或多或少都有听过这样一条科普知识：GPS卫星在运作时，卫星时间与地面时间有差异，而产生差异的一部分原因需要用到相对论去解释，也就是说GPS存在一个相对论时间修正项。 （注意：本文公式略多，可以忽略不看，不影响大意） 上述只是概括性的描述，而对此十分好奇的读者再进一步寻找解释时，会在很多科普文章中见到这样一条似乎已经形成共识的说法（也就是为何会用到相对论去修正时间）： GPS时间修正需要考虑到两个方面，一个是狭义相对论修正，因为卫星存在高速运动；另一个就是广义相对论修正，因为卫星与地面的高度差不可忽略，也就是引力势不同（或者说不同高度的引力场强不同） 如果这些文章更加深入一点，会将两个方面的公式写出来，如下图：第一个公式大家都很熟悉了，狭义相对论中的钟慢效应，其中v是卫星的轨道速度（GPS卫星的轨道近乎圆形），相对于地面上的物体来说，速度越快，卫星上的时间越慢。 第二个公式可能有些不熟悉，但理解依旧简单，这是广义相对论中的引力钟慢公式，G是引力常数，M是地球质量，r为卫星离地心的距离，可以看出当卫星的高度越高时，卫星的时间就过的比地面更快。 但考虑到地球存在自转，因此地表上的物体（就认为也是一个钟吧，毕竟GPS卫星内部都带有原子钟的）也存在上述的两个效应，所以将上述公式综合一下变为如下 其中t为无穷远处的钟读数，T为物体自身的时间读数，并且将此公式称为公式A 有了这样的公式我们就可以动手算一下卫星和地面时钟走时的差异，以地面钟走24小时为基础，我们发现GPS卫星每天要比地面时间快约38微秒。 此时我们再去网上搜索相关文献，会发现算出来的结果和文献是一样的。先不要高兴的太早，但如果你仔细分析一下这个过程，你会发现似乎这样的结论从一开始就站不脚，因为狭义相对论与广义相对论的分界是非常清晰的，涉及到时空是否平直或弯曲，在平直时空里的物理问题属于狭义相对论范围，以此类推弯曲时空就是广义相对论。 这种解释利用了狭义与广义两个方面，那不经要问：GPS卫星所处的时空到底有没有弯曲啊？很显然，这种解释是做了某种近似。先说答案，卫星所处的时空自然是弯曲的，这一点毫无争议，因此这纯粹就是一道广义相对论的问题，但为什么又能掺杂狭义相对论呢？因为地球对时空弯曲的影响很微弱，也就是地球周围的时空可以近似的当做平直，于是咱们就能利用上狭义相对论了。 虽然这种公式A的解释似乎非常清晰且容易理解，而且计算的结果精度非常高。 但对于不太了解相对论的朋友，这样的解释会直接造成很严重的误解他们会认为不论什么场景下都可以这样去分析。如果换做黑洞附近呢？你还能把时空当做平直吗？很显然是不能的，自然狭义相对论就不能用了。 以最简单的黑洞——史瓦西黑洞为例，除了我们常说的事件视界（其半径为史瓦西半径），其实史瓦西黑洞还拥有一圈光子层，顾名思义就是光子绕着黑洞转圈，但是我们不要想当然的认为这个光子层的半径就是史瓦西半径，实际上是1.5倍史瓦西半径。 再者光子有坐标速度一说，可以算出光子层光子的切向速度（其值远低于我们常说的每秒30万公里），如此一来我们将数据代入公式A，很容易发现，光子的固有时竟然不为零了，这显然是错的，如果用下面讲到的公式B则不存在问题。 此外如果有朋友真想知道那个第二个公式的由来怎么办？解释那个公式并不比纯粹的广义相对论解更加容易，所以说这样的解释根本没有必要，非但容易造成误解，而且深入解释也不占优势。 所以咱们下面就直接给出纯粹的广义相对论对GPS时间的修正（公式B）可以看到公式并没有想象中的复杂，其中个字母代表的含义也和上面相同，且算下来的结果依旧是38微秒。（注意：这个公式是基于史瓦西时空所得，如果最精确的考虑，由于地球自转、带电，是需要在克尔纽曼时空计算的，但史瓦西时空给出的答案精确度已经很高，就没必要再介绍更复杂的了，放到科普文章也不好） 可能这里又有朋友产生疑惑了，为什么错误解释和正确解释得到的答案是一样的呢？其实原因显而易见，除了上面讲到时空可以看做近似平直之外，公式中的列如（2GM/rc^2）、（v/c）^2这些数值算下来都是非常非常小的。 如果稍微麻烦下，你可以对公式A、B进行一次展开，取一级近似发现两个公式竟然都变成了如下公式 这也直接说明了，为什么错误解释还能给出正确答案的原因（所谓正确，就是指精度高）。 总的来说，我们常说的GPS卫星时间需要狭义和广义相对论去修正是不准确的，实际上这只是一个广义相对论问题而已，不关狭义相对论的事。 本篇文章的内容到此结束。 谢谢各位阅读！ 以后还会不断更新精心准备的通俗科普长文 |
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