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根据相对论,中国空间站三个月比地面能慢多少时间?

2021-06-18知识

2021-06-22:

根据爱因斯坦广义相对论场方程的史瓦西真空解: ds^{2}=-(1-\frac{2GM}{c^{2}r})c^{2}dt^{2}+(1-\frac{2GM}{c^{2}r})^{-1}dr^{2}+r^{2}(d\theta^{2}+\sin^{2}\theta d\varphi ^{2}) ,可以近似推导出空间站与地面的时间差表达式为

\Delta t_{修}=\left[ \frac{u_{空}^{2}-u_{赤}^{2}}{2c^{2}}+\frac{GM}{c^{2}}\left( \frac{1}{r_{空}}- \frac{1}{R_{赤}} \right) \right]\Delta\tau_{空} ,

取万有引力常数 G=6.67259×10^{-11}N·m²/kg² ,地球质量M=5.965×10^{24}kg ,光速 c=299792458m/s ,地球赤道半径 {R_{赤}}=6378200m ,中国空间站高度400~450km,取平均425km,则空间站到地心的距离 {r_{空}}=6803200m ,地球赤道线速度 u_{赤}=465m/s ,空间站运行速度 u_{空}=7812m/s ,中国空间站累计时间 \Delta\tau_{空}=3个月=7754760s (以90天计),得 \Delta t_{修}=0.002287129s\approx2.3ms 。

由 \Delta t_{修} 公式可见,方括号中第一项表示的是狭义相对论效应,为正,说明狭相效应使时间流逝变慢,三个月能慢2.6ms;第二项是广义相对论效应,为负,说明广相效应使时间流逝变快,三个月能快0.34ms。综合起来为正,说明整体上空间站时间流逝变慢。

另外,因为地球近似为椭球体,赤道相比中高纬度地区虽然线速度更大,但是因为隆起,引力势更小,在计算狭义、广义相对论效应时效果正好抵消,所以采用赤道半径和线速度不影响计算结果,对中国地区同样适用。

所以,根据相对论,中国空间站三个月比地面能慢2.3ms。

另外,扩展着说些内容。

(1)平均下来,中国空间站每天比地面能慢25.4 \mu s 。别小看这点时间差异,如果不修正,那么理论上基于自身解算的定位误差每天将达到7.6km,3个月误差累计达到686km。因此相对论对时间的修正极其重要。

(2)相对论修正中狭相占主要成分还是广相占主要成分,要看航天器的运行高度。结合万有引力公式和圆周运动向心力公式,简单推导可得上述二效应相当(时间流逝快慢相抵)的航天器运行半径 r=\frac{3}{\frac{2}{R_{赤}}+\frac{u_{赤}^{2}}{GM}}\approx9551km ,即在距离地面高度约3173km处,时间流逝速度与地面相同。当航天器运行轨道低于此高度时,时间流逝比地球慢,狭义相对论效应占主要成分;当航天器运行轨道高于此高度时,时间流逝比地球快,广义相对论效应占主要成分。运行高度在数万公里的北斗、GPS导航卫星,它们的时间流逝都比地球快。

2021-06-27:

鉴于@李平 的建议,周末抽空用Kerr解来分析一下。

因为地球存在自转,有自转角动量,但基本认为整体电荷为0,因此可以用Kerr度规来分析。几何单位制下,以Boyer-Lindquist坐标写出Kerr真空解为

ds^{2}=-\left( 1-\frac{2Mr}{\rho^{2}} \right)dt^{2}-\frac{4aMr\sin^{2}\theta}{\rho^{2}}dtd\varphi+\frac{\rho^{2}}{\Delta}dr^{2}+\rho^{2}d\theta^{2}+\left[ \Delta +\frac{2Mr\left( r^{2}+a^{2} \right)}{\rho^{2}} \right]\sin^{2}\theta d\varphi ^{2} , \rho^{2}=r^{2}+a^{2}\cos^{2}\theta , \Delta=r^{2}-2Mr+a^{2} 。

近似认为空间站在一定高度圆形轨道飞行,地球表面位置也同样为圆形轨道,则 dr=0 。

为了便于计算,写出Kerr真空解在 dr=0 条件下的国际单位制形式:

ds^{2}=-\left( 1-\frac{2GMr}{c^{2}\rho^{2}} \right)c^{2}dt^{2}-\frac{4aGMr\sin^{2}\theta}{c^{2}\rho^{2}}dtd\varphi+\rho^{2}d\theta^{2}+\left[ \Delta +\frac{2GMr\left( r^{2}+\frac{a^{2}}{c^{2}} \right)}{c^{2}\rho^{2}} \right]\sin^{2}\theta d\varphi ^{2} , \rho^{2}=r^{2}+\frac{a^{2}}{c^{2}}\cos^{2}\theta , \Delta=r^{2}-\frac{2GMr}{c^{2}}+\frac{a^{2}}{c^{2}} 。

当然,如果令地球单位质量角动量 a=0 ,则Kerr真空解退化为Schwarzschild真空解。Schwarzschild解是静态球对称解,Kerr解是稳态轴对称解。

我们考虑一般情况:计算地球单位质量角动量 a=\frac{2}{5}\omega R_{赤}^{2}=1186616202m^{2}/s , \omega 为地球自转角速度;中国空间站的轨道倾角为42°~43°,取平均值 \alpha=42.5° , \frac{d\varphi}{dt}\approx 空间站横向角速度分量 \frac{d\varphi}{d\tau_{赤}}=\frac{u_{x}}{r\sin\theta}=\frac{u_{空}}{r\sin\theta}\cos\left( \alpha+\theta-\frac{\pi}{2} \right) , \frac{d\theta}{dt}\approx 纵向角速度分量 \frac{d\theta}{d\tau_{赤}}=\frac{u_{y}}{r}=\frac{u_{空}}{r}\sin\left( \alpha+\theta-\frac{\pi}{2} \right) (将坐标时t替换成地面固有时 \tau_{赤} ,对速度的影响不到 10^{-9} 倍,不会对计算带来超出精度要求的影响。); \theta、\varphi 随运行过程均发生变化, \theta\in\left[ \frac{\pi}{2}-\alpha, \frac{\pi}{2}+\alpha\right] , \varphi\in\left[ 0,2\pi \right] 。

则固有时与坐标时比值的平方 -\frac{d\tau^{2}}{dt^{2}}=-\left( 1-\frac{2GMr}{c^{2}\rho^{2}} \right)-\frac{4aGM\sin\theta}{c^{4}\rho^{2}}u_{x}+\frac{\rho^{2}}{c^{2}r^{2}}u_{y}^{2}+\frac{1}{c^{2}r^{2}}\left[ \Delta +\frac{2GMr\left( r^{2}+\frac{a^{2}}{c^{2}} \right)}{c^{2}\rho^{2}} \right]u_{x}^{2} 。

则空间站与地面时间差 \Delta t_{修}=\left( 1-\frac{d\tau_{空}}{d\tau_{赤}} \right)\Delta \tau_{空} (因 \Delta\tau_{空}\approx\Delta\tau_{赤} )。

因计算过程与空间站的\theta 有关,所以每时每刻空间站时间流逝与地面时间流逝的比值是不断变化的。空间站在赤道与最高能到达的纬度42.5°之间时间流逝速度见下图。

以空间站在赤道上空的时间流逝速度为准,一天下来比地面能慢23.5\mu s ;以在(南)北纬42.5°上空的时间流逝速度为准,一天下来比地面能慢21.9\mu s 。平均下来,中国空间站一天比地面能慢22.5\mu s ,三个月能慢 2.0ms 。

2021-06-28:

略去高阶小量,可以近似推导出基于Kerr真空解的空间站与地面时间差 \Delta t_{修}=\left[ \frac{u_{空}^{2}-u_{赤}^{2}}{2c^{2}}+\frac{GM}{c^{2}}\left( \frac{1}{r_{空}}- \frac{1}{R_{赤}} \right)-\frac{2aGM}{c^{4}}\left( \frac{u_{空}}{r_{空}^{2}}\sin\left( \alpha +\theta \right)\sin\theta -\frac{u_{赤}}{R_{赤}^{2}} \right) \right]\Delta\tau_{空} 。

与施瓦西解相比,Kerr解除了有狭义相对论效应项和广义相对论效应项以外,还有第3项,为狭相、广相效应耦合项。需要指出的是,由于大量使用略去高阶小量的操作,上式关于 \Delta t_{修} 与 \theta 的函数关系已与原方程明显不同,但结果近似。

在计算角速度时,如果不直接用 d\tau_{赤} 替换 dt ,则应在角速度后配上系数 \frac{d\tau_{赤}}{dt} ,即

-\frac{d\tau_{赤}^{2}}{dt^{2}}=-\left( 1-\frac{2GMR_{赤}}{c^{2}\rho_{赤}^{2}} \right)-\frac{4aGM}{c^{4}\rho_{赤}^{2}}u_{赤}\frac{d\tau_{赤}}{dt}+\frac{1}{c^{2}R_{赤}^{2}}\left[ \Delta_{赤} +\frac{2GMR_{赤}\left( R_{赤}^{2}+\frac{a^{2}}{c^{2}} \right)}{c^{2}\rho_{赤}^{2}} \right]u_{赤}^{2}\frac{d\tau_{赤}^{2}}{dt^{2}} , \rho_{赤} 、 \Delta_{赤} 为代入地球赤道半径 R_{赤} 的值。

解关于 \frac{d\tau_{赤}}{dt} 的二次方程,得 \frac{d\tau_{赤}}{dt}=\frac{\frac{4aGM}{c^{4}\rho_{赤}^{2}}u_{赤}+\sqrt{\frac{16a^{2}G^{2}M^{2}}{c^{8}\rho_{赤}^{4}}u_{赤}^{2}+4\left( 1-\frac{2GMR_{赤}}{c^{2}\rho_{赤}^{2}} \right)\left\{ 1+\frac{1}{c^{2}R_{赤}^{2}}\left[ \Delta_{赤}+\frac{2GMR_{赤}\left( R_{赤}^{2}+\frac{a^{2}}{c^{2}} \right)}{c^{2}\rho_{赤}^{2}} \right]u_{赤}^{2} \right\}}}{2\left\{ 1+\frac{1}{c^{2}R_{赤}^{2}}\left[ \Delta_{赤}+\frac{2GMR_{赤}\left( R_{赤}^{2}+\frac{a^{2}}{c^{2}} \right)}{c^{2}\rho_{赤}^{2}} \right]u_{赤}^{2} \right\}} (舍去负值解)。

求出 \frac{d\tau_{赤}}{dt} 后,再带入原方程求出 \frac{d\tau_{空}}{dt} ,便可进一步得到该问题的最终解。可以看到,这样不换元直接求解非常繁琐,而结果的精度并没有显著改变,所以一般采用d\tau_{赤} 替换 dt 的方式求解。