[논문 리뷰] Incompatibility between the principle of the constancy of the speed of light and the Lorentz contraction in the GPS Experiment

Masanori Sato|ArXiv.org|2007. 03. 12.

Relativity and Gravitational Theory참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 지구가 우주 마이크파배경(CMB)을 통해 고속으로 운동하고 있음에도 불구하고, 빛의 속도가 일정하다는 전제 하에 지구중심관성(ECI) 기준에서 GPS 시스템의 정밀한 작동이 로렌츠 수축의 예상 효과와 정면으로 배치됨을 주장한다(지구의 운동 속도: 700 km/s). 관측 가능한 54미터 위치 이격 현상이 없음은 지구의 중력장 내에서 로렌츠 수축이 발생하지 않음을 시사하며, 이는 특수상대성이론의 예측과 일반상대성 이론 조건 하에서 GPS 기능성 간의 호환성에 도전한다.

ABSTRACT

Incompatibility between the principle of the constancy of the speed of light and the Lorentz contraction in the global positioning system (GPS) is discussed. The GPS works precisely in the earth-centered locally inertial (ECI) coordinate system on the condition that the speed of light c is assumed to be constant regardless of the inertial motion of the GPS satellites and the earth. The inertial system of the earth travels not only in the solar system at the velocity 30 km/s but also in the cosmic microwave background (CMB) at the velocity 700 km/s. The deviation on the car navigation system by the Lorentz contraction of 700 km/s is maximally estimated as 54 m. However, such a large deviation is not observed: that is, the Lorentz contraction is not observed in the gravitational field of the earth. If there is a Lorentz contraction, the GPS cannot work so precisely. The GPS satellites are in the gravitational field of the earth, therefore the system should be interpreted by the theory of general relativity as well as special relativity.

연구 동기 및 목표

• 지구가 우주 마이크파배경(CMB)을 향해 700 km/s로 운동하고 있음에 따라 GPS 시스템 내에서 로렌츠 수축이 관측 가능할지 조사하기 위해.
• GPS의 관측 정밀도가 특수상대성 이론의 예측, 특히 700 km/s에서의 로렌츠 수축 효과와 정면으로 배치되는지 평가하기 위해.
• ECI 기준에서 빛의 속도가 일정하다는 것이 지구의 중력장 내에서 측정 가능한 로렌츠 수축이 관측되지 않는 것과 호환되는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 빛의 속도가 위성 또는 지구의 운동에 관계없이 일정하다는 가정 하에, 지구중심관성(ECI) 좌표계에서 GPS 시스템의 작동을 분석한다.
• 지구가 CMB 기준으로 700 km/s의 속도로 운동하고 있음을 고려하여, 로렌츠 수축으로 인한 최대 가능한 이격을 추정한다.
• 로렌츠 수축이 존재한다면 자동차 내비게이션 시스템에서 이론적으로 최대 54미터의 위치 오차가 발생할 것으로 계산한다.
• 이 이론적 이격과 실제 GPS 정밀도를 비교한다. 실제 운영에서는 이러한 오차가 관측되지 않는다.
• 지구의 중력장 조건을 고려하여 특수상대성 이론과 일반상대성 이론을 GPS 위성 시스템에 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구가 CMB 기준으로 700 km/s로 운동하고 있음에 따라, GPS 시스템 내에서 로렌츠 수축이 관측 가능한가?
• RQ2 ECI 기준에서 빛의 속도 일정성이 지구의 중력장 내에서 측정 가능한 로렌츠 수축이 관측되지 않는 것과 일치하는가?
• RQ3 GPS 내비게이션에서 관측되지 않는 54미터의 이격 현상이 특수상대성 이론과 실제 GPS 성능 간의 모순을 암시하는가?
• RQ4 일반상대성 이론이 GPS 위성 운영의 맥락에서 특수상대성 이론의 예측을 어느 정도 수정하는가?
• RQ5 ECI 기준에서 빛의 속도 일정성 가정이 지구의 중력장 내에서 로렌츠 수축 효과가 관측되지 않는 것과 호환되는가?

주요 결과

• 700 km/s 속도에서 로렌츠 수축으로 인한 이론적 최대 이격은 자동차 내비게이션 시스템에서 약 54미터로 추정된다.
• 실제 GPS 운영에서는 이러한 54미터의 이격 현상이 관측되지 않아, 지구의 중력장 내에서 로렌츠 수축이 발생하지 않는 것으로 나타난다.
• GPS의 정밀한 작동은 로렌츠 수축의 예상 효과와 정면으로 배치되며, 이는 특수상대성 이론의 예측과의 불일치를 시사한다.
• ECI 기준에서 빛의 속도 일정성이 유지되지만, 관측되지 않는 효과로 인해 이와의 호환성에 의문이 제기된다.
• 결과적으로 일반상대성 이론 조건 하에서 표준 특수상대성 이론의 해석이 지구의 중력장 내에서 완전히 적용되지 않을 수 있으며, GPS 시스템 내의 상대론적 효과 재고가 필요하다고 암시한다.