【物理】GPS｜自分の位置を知る技術｜その仕組みについて

みなさん、こんにちは。Ysです。

今回は「GPS」についてです。スマホで自分の位置を調べるときにONにするアレです。

※本当は「重力と宇宙」について書こうと思っていましたが、話が壮大になりそうだったのでいったん止めました。ちなみにこのGPSも重力が関わっています。そしてあの天才「アインシュタイン」が登場します。

「そんなこと知って何の得意？」ですよね。おっしゃる通りです。

この記事を書いた理由の7割は私の自己満足です。

しかし残り3割は「みなさんが知り合いにドヤれるメリットがあると信じている」からです。

ぜひ読んで頂いて今度知り合いに「GPSって相対性理論が関係してるんだよ」って教えてあげてください。

GPSとは

Global Positioning Systemの略です。「地球上の位置を知る仕組み」ということですね。

どうやって位置を知るのか。

地球の周りにある人工衛星から電波を受信し、その時間を計って距離を計算しています。

「電波の速さ×受信までの時間＝衛星との距離」で求められますよね。

電波の速さは光の速さと同じ、そして一定です。だから時間がわかれば距離を計算できます。

しかし、離れた衛星との距離を計算するだけで正確な位置を知ることができるのでしょうか。

衛星が１つだとできません。

衛星や地球の中心から同じ距離の場所は無数にあります。1つの場所に特定できないのです。

位置を正確に知るには

衛生を「4つ」使います。そして4つ目が相対性理論と関係します。

最初の3つは「縦、横、高さ」です。特定の場所から「縦にX km、横にY km、高さZkm」進んだ位置は1箇所に決まります。

中学で習った連立方程式を思い出しましょう。

わからない数が2つある場合、式が２つあればわからない数が求められる。わからない数が3つある場合は式を3つ用意すれば良い。

衛星が3つあれば距離の式が3つでき「縦、横、高さ」に関する方程式が解けます。

つまり「自分の位置」を計算できます。

「3つあれば十分、4つ目不要では？」と思いますよね。

しかし3つでは不十分。

最後の1つがないと我々の生活では使い物にならない程、計算結果がズレます。

それは何故か。

ここからが相対性理論の話です。

4つ目の人工衛星が必要な理由

「重力が強いところと弱いところで時間の流れる速さが変わる」

アインシュタインが相対性理論の中で明らかにしたことの１つです。

初めて知った方にとっては衝撃の事実かもしれません。

でもそういうものだと受け入れましょう！笑

まず、人工衛星と我々の重力の違いを考えてみましょう。

人工衛星は地上からかなり離れたところでぐるぐる回っています。

つまり地上にいる私達よりも受けている重力が小さいのです。

だから地上のスマホと人工衛星の時計の1秒がピッタリ合わない。

この時間のズレを計算するためにもう1つ式が必要だったのです！

ズレていると言っても我々からするとほんの一瞬なんですけどね。しかしその一瞬でも電波の速さなら相当な距離を移動できます。

実際に計算結果が10km以上ズレてしまうそうです。これだと街中では使い物にならないですよね。

アインシュタインがGPSを発明したわけではありません。

しかし彼の理論がなければ3つの衛生から計算された我々の位置が正確でない理由に気づくことはできなかったでしょう。

過去の偉大な研究者は「我々の日常生活とは関係ないただの頭が良かった人」ではないんです。

おかげで初めて行く場所でも迷子にならなくて済むようになりました。

本当に感謝ですね。

最後に

皆様いかがでしたでしょうか？

私自身、数学や物理が好きでした。でも苦手意識もってる人嫌いな人が意外と多いなと感じています。

少しわかりにくかったかもしれませんが、自分なりに噛み砕いて書いたつもりです。

こういったことをきっかけに少しでも科学に興味を持ってくれる人が増えると良いなと思っています。

最後まで読んで頂きありがとうございました！