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El GPS en los teléfonos celulares se basa en satélites, pero se mueven mucho más rápido y experimentan mucha menos gravedad que los teléfonos mismos. Por lo tanto, surgen errores en la medición del tiempo y la distancia, que deben corregirse en función de las teorías de la relatividad.
Es fácil encontrar nuestro camino en las ciudades con un teléfono o automóvil habilitado para GPS en estos días. También es igual de simple subir una foto en las redes sociales con una etiqueta de ubicación. Sin embargo, ¿sabía que se necesita la teoría especial y general de la relatividad para determinar que está dentro de un café específico, en lugar de solo algún lugar de una ciudad?
La teoría especial de la relatividad es la que dice que la luz se mueve a una velocidad constante, lo que hace que las cosas se acorten, mientras que el tiempo pasa más lento a alta velocidad. Fue presentado por Einstein en 1905 y se usa para determinar cosas como la edad de las estrellas y de qué están hechos.
Pero para algo tan mundano como decirle a la gente que estás en una cafetería, ¿por qué necesitaríamos usar la legendaria teoría especial de la relatividad?
¿Y por qué necesitaríamos la teoría general de la relatividad tampoco?
Esa teoría corrigió la ley de gravedad de Newton de la que la mayoría de nosotros aprendimos en la escuela secundaria y le dimos un cambio de imagen moderno.
La teoría general se utiliza para diversos fines, desde determinar la órbita del mercurio hasta la evolución del universo y la energía oscura.
¿No se siente exagerado usar armas tan enormes de nuestro arsenal intelectual para determinar que estás tomando café en un café?
El sistema GPS se puede utilizar para ubicar con precisión la posición de uno, por lo que ha encontrado un gran uso en nuestra vida cotidiana. (Créditos: usuario6613750/freepik)
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¿Cómo funciona el GPS?
El sistema de posicionamiento global o GPS comienza con su teléfono recibiendo una señal de 4 de los 24 satélites que orbitan la Tierra. ¿Por qué 4? Bueno, tres de ellos se usan para determinar su posición y la cuarta se usa para corregir la posición determinada. Pero, ¿cómo se establece exactamente las señales de recepción de estos satélites?
El tiempo que lleva una señal emitida por el satélite para llegar a su teléfono definirá su distancia de ese satélite. Ahora se sabe que su posición está a cierta distancia de ese satélite; De hecho, podría estar en cualquier lugar de la superficie de una esfera con el satélite en el centro.
Cuando se conoce la distancia entre usted y el segundo satélite, su posición ahora se conoce dentro de la intersección de dos esferas. Una vez que el tercer satélite se conecta al teléfono, ha sido identificado. Así es como los satélites pueden determinar exactamente dónde se encuentra.
Las señales de tres satélites se pueden usar para señalar con precisión donde estamos en la superficie de la tierra. (Créditos: MacRovector/Freepik)
¿Cómo afecta la relatividad especial la ubicación del GPS?
Hasta ahora, podríamos haber usado las matemáticas básicas presentes en el momento del Euclides para obtener estos puntos de datos. Donde entra la teoría de la relatividad de Einstein es que el reloj en el satélite no marca exactamente a la misma velocidad que un reloj en la Tierra. De hecho, las teorías generales y especiales de la relatividad afectan las velocidades del reloj, pero veamos la teoría especial para comenzar simple, antes de pasar a los efectos de la teoría general.
La teoría especial de la relatividad de Einstein dice que dado que el satélite se mueve a aproximadamente 4000 m/s, mientras que los relojes en el ecuador de la Tierra se mueven debido a la rotación planetaria a aproximadamente 465 m/s, los relojes satélite debería Corre un poco más lento que los relojes del ecuador.
Si bien no son realmente más lentos debido a los efectos de la teoría general de la relatividad, tiene un efecto general sobre cómo se experimenta el tiempo.
No son solo los relojes que cambian su frecuencia; Todo en el satélite, desde la vibración de un átomo hasta la frecuencia de la electricidad, cambia debido a una mayor velocidad. Si este efecto no se corrige de manera artificial, entonces habría un error de navegación de 2.13 km/día.
Esto significa que si subiera al Monte Everest durante 3 días con la ayuda de GPS, llegaría al glaciar Ronghuk el tercer día, ¡que está a unos 6 km de la cima!
Corrección de los errores
Los errores que surgen en el tiempo y la distancia son transmitidos por el satélite y las correcciones requeridas se calculan utilizando una relatividad especial por el software para que cuando intente ir al Monte Everest, realmente alcanzará el pico y no a un glaciar a seis kilómetros de distancia. Sin embargo, ese no es el único efecto relativista que tiene lugar cuando se trata de GPS.
La tela del espacio-tiempo alrededor de la tierra está distorsionada debido a su masa. Los relojes funcionan más rápido en los lugares donde hay más distorsión. (Crédito de la foto: Vchal/Shutterstock)
Existe una segunda teoría de la relatividad, llamada la teoría general de la relatividad, que renovó la teoría de la gravedad. Esta es la teoría sobre la cual se basa nuestra comprensión actual del cosmos.
La teoría general de la relatividad entra en juego
Debido a los efectos de esta relatividad general, los relojes en el satélite, que están bajo mucho menos gravedad que los relojes en el ecuador, funcionarán más rápido. La teoría anterior de la relatividad especial tuvo el efecto contrario, por lo que si este aumento y disminución fuera de igual magnitud, simplemente se cancelarían entre sí.
Desafortunadamente, la frecuencia del reloj aumenta mucho más de lo que sería compensado por la disminución que discutimos anteriormente. Nuevamente, esto no es solo relojes; Incluso si una persona fuera y se quedara en un lugar con mucha menos gravedad, como la luna, parecería vivir más tiempo que sus homólogos en la tierra. En ese caso, sin embargo, la diferencia en la gravedad no es lo suficientemente significativa como para marcar una diferencia notable en la edad o la apariencia humana.
Sin embargo, dado que todo se reduciría, desde su movimiento y su metabolismo hasta sus procesos celulares y atómicos, no experimentarían más tiempo que nosotros. Del mismo modo, estos relojes funcionarían más lentamente como resultado del cambio de frecuencia gravitacional, lo que básicamente significa que marcarían a una velocidad diferente a una intensidad de gravedad diferente.
El error de sincronización causado por este efecto es mucho más grande que el causado por el movimiento del satélite. De hecho, conduciría a un error de navegación de aproximadamente 13.7 km/día. Esta vez estaría 40 km dentro del Tíbet 3 días después de comenzar por el pico del Monte Everest.
Estos errores basados en gravitacionales se corrigen de la misma manera que los anteriores. Si bien hay otros efectos en el juego, es simplemente sorprendente que necesitemos usar la misma teoría para determinar la masa de una estrella de kilómetros de distancia y encontrar un buen restaurante en una nueva ciudad.
Referencias (haga clic para expandir)
- IS-GPS-200H.
- La teoría de la relatividad de Einstein, vital para el GPS, visto en …
- Efectos relativistas en el sistema de posicionamiento global.
- Relatividad y el sistema de posicionamiento global.