[论文解读] Incompatibility between the principle of the constancy of the speed of light and the Lorentz contraction in the GPS Experiment

Masanori Sato|ArXiv.org|Mar 12, 2007

Relativity and Gravitational Theory参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文认为，全球定位系统（GPS）的精确运行与狭义相对论预测的洛伦兹收缩效应相矛盾，尽管在地心惯性（ECI）参考系中假设光速恒定。由于地球以700 km/s的速度相对于宇宙微波背景辐射运动，若洛伦兹收缩存在，应可观测到54米的位置偏差，但实际并未观测到，表明在地球引力场中洛伦兹收缩并未发生，这挑战了狭义相对论在广义相对论条件下的适用性。

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.

研究动机与目标

• 调查由于地球相对于宇宙微波背景辐射（CMB）的高速运动，洛伦兹收缩是否应在GPS系统中可观测到。
• 评估GPS的观测精度是否与狭义相对论的预测相矛盾，特别是700 km/s速度下的洛伦兹收缩效应。
• 评估在地球引力场中，ECI参考系中光速恒定性是否与不可观测到的洛伦兹收缩效应相容。

提出的方法

• 分析GPS系统在地心惯性（ECI）坐标系中的运行，假设光速恒定，与卫星或地球的运动无关。
• 利用地球相对于CMB的速度700 km/s，估算洛伦兹收缩可能引起的最大偏差。
• 若存在洛伦兹收缩，计算出在汽车导航系统中理论上的最大位置误差为54米。
• 将此理论偏差与实际GPS精度进行比较，结果显示并无此类误差。
• 对GPS卫星系统同时应用狭义与广义相对论，考虑地球引力场的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在地球相对于CMB以700 km/s运动的条件下，GPS系统中是否可观测到洛伦兹收缩？
• RQ2 ECI参考系中光速恒定性是否与地球引力场中洛伦兹收缩的不可观测性相容？
• RQ3 GPS导航中未观测到54米偏差，是否意味着狭义相对论预测与实际GPS性能之间存在矛盾？
• RQ4 广义相对论在GPS卫星运行背景下，对狭义相对论预测的修正程度如何？
• RQ5 ECI参考系中光速恒定的假设是否与洛伦兹收缩效应的不可观测性相容？

主要发现

• 在700 km/s速度下，洛伦兹收缩引起的理论最大偏差估计为54米（在汽车导航系统中）。
• 实际GPS运行中未观测到此类54米偏差，表明在地球引力场中洛伦兹收缩并未发生。
• GPS的精确运行与预期的洛伦兹收缩效应相矛盾，暗示其与狭义相对论预测不相容。
• ECI参考系中光速恒定性依然成立，但其与洛伦兹收缩的相容性因观测效应的缺失而受到质疑。
• 结果表明，标准狭义相对论解释可能无法完全适用于地球引力场环境，需重新评估GPS系统中相对论效应的作用。