تكنولوجيا · الإثنين, أكتوبر 12, 2026

كيف تعمل شبكة نظام تحديد المواقع العالمي (GPS): نظرية النسبية لأينشتاين في جيبك

اكتشف كيف يستخدم نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) نظرية النسبية لألبرت أينشتاين لتوجيه تنقلاتك اليومية وطلبات طعامك.

شركاء هاتفك الخفيّون في الفضاء

في كل مرة تحدد فيها موقعاً على الخريطة لقاء صديق، أو تطلب سيارة أجرة عبر التطبيقات، أو تتابع طلب طعامك لحظة بلحظة، فإنك تعتمد على أعجوبة من عجائب الهندسة الحديثة تمتد آلاف الأميال في أعماق السماء. يبدو نظام تحديد المواقع العالمي، المعروف عالمياً باسم GPS، وكأنه سحر. تفتح خريطة، وتظهر لك نقطة زرقاء فوراً لتحدد موقعك بدقة، ويقودك صوت ودود خطوة بخطوة عبر الشوارع غير المألوفة.

ومع ذلك، فإن هاتفك لا يتواصل في الواقع مع الأقمار الصناعية ليعرف مكانك. بل على العكس، تقوم تلك الأقمار الصناعية ببث رسالة بسيطة للغاية باستمرار: موقعها الدقيق في الفضاء والوقت المحدد الذي أُرسلت فيه الرسالة. يستمع هاتفك إلى ما لا يقل عن أربعة من هذه الساعات الفضائية، ويجري القليل من العمليات الهندسية السريعة، ليحسب موقعك على سطح إنها رقصة سماوية معقدة تحدث خفية فوق رؤوسنا في كل ثانية من اليوم.

السباق الكوني الأسمى مع الزمن

لكي تفهم كيف يحدد نظام (GPS) موقعك بدقة مذهلة، عليك أن تنظر إلى كيفية قياسه للمسافات. لا يقيس النظام أشرطة القياس المادية، بل يقيس الزمن. تنتقل موجات الراديو بسرعة الضوء، والتي تبلغ حوالي 186,282 ميلاً في الثانية. إذا كان القمر الصناعي على ارتفاع 12,500 ميل فوقك، يمكن لجهاز استقبالك معرفة مدى بُعده عن طريق حساب الوقت الذي استغرقه الإشارة لتصل إلى شاشتك.

وبسبب سرعة الضوء الهائلة، فإن حتى أصغر خطأ في التوقيت يؤدي إلى أخطاء فادحة في المسافة. فإذا كانت ساعتك غير دقيقة بمقدار مليون جزء من الثانية فقط، فقد يكون موقعك المحسوب على الأرض خاطئاً بنحو 1,000 قدم. هذا الفارق هو ما بين أن تكون واقفاً على الرصيف أو تائهًا في منتصف طريق سريع مزدوج. ولإبقاء كل شيء متزامناً، يحمل كل قمر صناعي لنظام (GPS) عدة ساعات ذرية، تتميز بدقة تصل إلى أجزاء من مليار من الثانية.

دخول أينشتاين: لماذا تحكم النسبية مسارك؟

هنا تصبح الأمور مثيرة ومسلية للغاية. إذا كنت تريد خرائط دقيقة، فيجب عليك أن تأخذ ألبرت أينشتاين في الاعتبار. عندما صمم المهندسون والفيزيائيون شبكة (GPS) لأول مرة، أدركوا أنه يتعين عليهم مراعاة نظريات النسبية لأينشتاين، وإلا فإن النظام بأكمله سانهيار في غضون يوم واحد.

هناك تأثيران نسبيان يلعبان دوراً في المدار. أولاً، تنص النسبية الخاصة على أنه نظراً لأن أقمار (GPS) تتحرك بسرعة صاروخية في الفضاء تبلغ حوالي 8,700 ميل في الساعة، فإن الوقت يمر ببطء شديد بالنسبة لها مقارنة بشخص يقف ساكناً على الأرض. ثانياً، تنص النسبية العامة على أنه نظراً لأن الأقمار الصناعية بعيدة جداً عن بئر الجاذبية الهائلة للأرض، فإن الوقت يمر بشكل أسرع قليلاً بالنسبة لها. وعندما تجمع بين كلا التأثيرين، فإن الساعات الذرية على أقمار (GPS) تكسب حوالي 38 ميكروثانية كل يوم مقارنة بالساعات على الأرض. وفي حين يبدو رقم 38 ميكروثانية ضئيلاً للغاية، إلا أنه قد يتسبب في تراكم أخطاء الملاحة بنحو 7 أميال كل يوم. وبفضل رياضيات أينشتاين، يقوم المهندسون ببرمجة إزاحة ترددية طفيفة مسبقاً في الأقمار الصناعية للحفاظ على عملها بشكل متزامن مع كوكبنا.

التثليث: العثور على مكانك في الفضاء ثنائي الأبعاد

بمجرد أن يتلقى هاتفك الإشارات الموقوتة من الفضاء، فإنه يقوم بخدعة رياضية ذكية تسمى التثليث (Triangulation). تخيل أنك تقف في غرفة مظلمة وتعلم أنك تبعد تماماً مسافة 10 أميال عن منزل صديقك. يمكنك أن تكون في أي مكان ضمن دائرة تحيط بهذا المنزل. وإذا أخبرك صديق ثانٍ أنك تبعد 15 ميلاً عن منزله، فإن مواقعك المحتملة تتقلص إلى نقطتين محددتين فقط.

أضف صديقاً ثالثاً، وسيظهر موقعك الدقيق على خريطة مسطحة ثنائية الأبعاد. ولأننا نعيش على كوكب ثلاثي الأبعاد ذي تضاريس متغيرة، يحتاج نظام (GPS) إلى قمر صناعي رابع لتحديد الارتفاع بدقة وتصحيح أي أخطاء طفيفة في الساعة الداخلية لجهازك. وبمجرد التقاط الإشارات من أربعة أقمار صناعية أو أكثر، ينشئ هاتفك كرات متقاطعة من المسافات، ليحدد إحداثياتك بدقة متناهية.

الأسئلة الشائعة

كتبه فريق التحرير في DailyTwist لأغراض المعلومات العامة. هل لاحظت خطأً؟ أخبرنا.