인공위성 시간지연 - ingong-wiseong siganjiyeon

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인공위성 시간지연 - ingong-wiseong siganjiyeon

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중력은 물체와 질점간의 거리가 짧을 수록 더 커지는 것으로 알고 있습니다. 그렇다면 평상시에 다른 사람들과 항상 균일한 높이에서 생활하는 것이 불가능 하기 때문에 다른 사람들과 전 다른 시간대에서 살아가고 있는 것이 맞는건가요? 중력에 따른 시간지연이 각각 다르게 영향을 주는데 큰 차이가 있을까요?

인공위성 시간지연 - ingong-wiseong siganjiyeon
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총 2개의 답변이 있어요.

안녕하세요.

엄밀히 따지면 맞는 이야기입니다.

지구의 중력으로부터 멀리있는사람과 가까이 있는사람의 시간의 흐름 속도는 분명히 존재합니다.

그러나, 지구로 한정해서 비교하면 그 시간은 한정적이어서 사람들끼리는 체감하지 못합니다.

실제 우리 생활에서는 이러한 차이를 고려해서 보정해주는 기술이 필요합니다. 가장 큰 예시로 GPS 기술입니다.

GPS는 인공위성으로부터 현재 우리가있는 위치정보에 대해서 실시간으로 추적해주는 기술인데요, 여기서 실제 상대성 이론에 따라 시간의 차이가 발생하여 오차가 생기곤 합니다.이를 주기적으로 보정해주는 작업이 필요합니다.

지구로부터 멀어지는거리(x축), 그에따른 시간지연효과(y축)에대한 인공위성의 그래프입니다.

이에따르면 gps위성의 경우 하루 38 microsecond 정도의 오차가 발생합니다.

인공위성 시간지연 - ingong-wiseong siganjiyeon

감사합니다.

신고사유 :

    상대성이론의 시간 지연을 느낄 정도의 물리량이 현재 지구에서 느끼기에는 너무 작습니다.

    실제 특수 상대성 이론의 움직이는 물체의 시간은 느리게 간다의 경우에도,

    빛의 속도에 가까울 수록 그 효과를 볼 수 있습니다.

    2022. 03. 13. 00:37

    신고사유 :

      인공위성 시간지연 - ingong-wiseong siganjiyeon

      우리들은 매일 하루의 대부분을 스마트폰과 함께 보내고 있다.

      (…중략…) 그런데 이런 손바닥 안에 들어오는 자그마한 스마트폰 속에 누구나 한번쯤은 들어보았지만 이해하기 쉽지 않은 상대성이론이 들어가 있다고 하니 놀랍기도 하면서 궁금증이 생긴다.

      도대체 어디에 사용된 것일까?

      처음 와본 곳에서 길을 잃었다. 그렇지만 곧 스마트폰으로 지도 어플을 실행하고, 위성항법장치(GPS)기능을 켜 위치를 확인하고 다시 갈 길을 간다. 바로 이런 자연스러운 상황에서 우리는 GPS기능과 관련된 상대성 이론을 확인할 수 있다. (…중략…)위성과의 거리는 전파를 수신하기까지의 걸린 시간에 빛의 속도를 곱함으로써 떨어진 거리를 알 수 있다. 여기서 지상의 수신기와 인공위성과의 시간차이가 생기기 때문에 별도의 보정과정이 필요하다.

      인공위성 시간지연 - ingong-wiseong siganjiyeon

      시간차이는 왜 생길까 . 상대성이론은 어디에?

      결론적으로 말하자면 지상의 수신기와 인공위성과의 속도와 중력차이 때문에 시간차이가 생기고, 특수상대성이론과 일반상대성이론을 이용한 계산을 통해 이 시간차이를 보정해서 GPS에 사용된다. 특수상대성이론은 운동하는 물체의 시간은 느리게 흐른다는 원리로써 빛의 속도에 근접하게 운동할수록 시간이 느리게 간다는 것이다. 예를 들어 빛의 속도의 99%로 움직이는 우주선으로 하루 동안 우주여행을 하고 온다면 지구는 벌써 1년이 지난 후다. 초속 8km의 속도로 운동하고 있는 인공위성에서도 이 특수상대성이론이 적용돼 지구와 비교해 미세하게 시간이 느리게 가는 시간지연효과가 나타난다. 일반상대성이론은 중력이 약할수록 시간이 빠르게 흐른다는 것을 말한다. GPS위성은 훨씬 높은 고도 2만km에서 운동하고 있기 때문에 지상의 수신기보다 시간이 빠르게 가는 시간가속효과를 확인할 수 있다.

      그렇다면 하나는 시간지연, 하나는 시간가속을 말해주는데 결국 어떻게 되는 것인가. 실제로는 중력에 의한 시간가속효과가 시간지연효과보다 더 크기 때문에 결국 GPS위성에서는 지구보다 하루에 약 38마이크로초(0.000038초)만큼 시간이 빠르게 흐른다. 거리로 볼 때는 하루의 시간차이에 빛의 속도를 곱한 약 11.4km만큼의 거리차이가 생긴다. 오차를 보정하지 않으면 GPS는 혼란만 야기할 것이다.

      스마트폰 속에는 상대성이론이 쓰인다

      이렇게 GPS위성과 38마이크로초만큼의 시간차이가 있다는 것을 알았고 이 차이를 상대성이론을 이용해 보정해서 정확한 위치를 지도 어플에 표시한다는 것을 알았다. 38마이크로초가 작아 보일지 모르겠다. 그러나 이에 대한 보정이 없다면 우리는 인천공항에 있는데도 바다 속을 비추는 스마트 폰을 보고 있을 것이다.

      글 : 한국디지털미디어고 정겨울

      아인슈타인은 먼저 특수상대성 이론을 증명하고 그다음 일반 상대성 이론을 증명합니다. 특수상대성 이론은 등속도라는 특수한 경우에 일어나는 현상인데 특징중의 하나가 물체의 속도가 빨라지면 시간이 천천히 흐른다는것이죠. 일반 상대성 이론은 이것은 일반화 시킨것입니다. 등속도 뿐만 아니라 가속, 감속에서도 적용된다는것을 증명했습니다. 즉 일반 상황에서도 속도가 빨라지면 마찬가지로 시간이 천천히 흐른다는것이죠. 여기까지는 그렇다고 생가했는데 아인슈타인의 천재인성은 이것을 중력에까지 적용한 것입니다. 즉 아인슈타인은 중력을 특별하게 본게 아니라 중력도 일종의 가속도의 하나라고 본것입니다. 중력가속도라고 들어 보았죠? 어 그렇게 되니까 중력 현상이 그대로 일반 상대성원리 테투리안에 들어오는것이죠. 즉 속도가 빨라진다는 의미는 중력이 세진다는 의미와 중력이 세진다는 의미는 속도가 빨라진다는 의미가 됩니다. 중력이 센 별에서는 중력가속도가 당연히 셀것이고 그렇게 되면 시간은 상대적으로 중력이 약한 별보다 더 천천히 흐르게 되는것이죠. 이것을 지구에서 예를들면 아파트 20층사는 사람보다 아파트 1층에 사는 사람의 시간이 천천히 흐른다는것입니다. 우리가 흔히 사용하는 스마트폰의 GPS는 아인슈타인의 상대성이론 없이는 사용할 수 없는 도구입니다. GPS위치를 알기 위해서는 3개의 인공위성에서 나의 GPS까지의 거리를 알아야 합니다. 그러기 위해서는 인공위성에서 쏘는 전파속도와 내 GPS에까지 도착하는 시간을 알아야 합니다(거리 = 시간 x 속도). 그러기 위해서는 인공위성의 시간과 GPS에서의 시간이 정확하게 일치해야 정확한 시간차를 계산할수 있습니다. 인공에서의 시간은 알다시피 속도를 내고 있어 시간은 아주 조금 천천히 흐르고 있죠 반면에 저 높이 떠있으니 중력이 약해 시간은 지구상보다 빨리 흐른답니다. 중력이 영향을 미치는 시간이 속도로인해 천천히 가는 시간보다 훨씬 크기때문에 인공위성안에서의 시간은 빨리 간답니다. 이 빠른 시간을 늦게 보정하는 작업이 필요한데 이때 아인슈타인의 상대성원리가 적용됩니다. 만약 상대성 이론을 적용하지 않을시에 나타나는 오차범위는 약 114Km라고 합니다. 이해에 도움이 되었기 바랍니다.