Por qué el GPS necesita la teoría de la relatividad de Einstein
Tu móvil calcula su posición a partir de señales medidas con gran precisión. Las pequeñas diferencias entre los relojes del espacio y los de la Tierra importan.
El punto azul del mapa no procede de un satélite que te esté fotografiando. Los satélites GPS emiten señales de radio con información sobre el tiempo y sus órbitas. Tu receptor utiliza esas señales para calcular dónde está.
Eso convierte la navegación en un problema de medición del tiempo. Las señales de radio viajan a la velocidad de la luz, así que un error temporal muy pequeño puede corresponder a una gran diferencia de distancia.
Convertir el tiempo de viaje en distancia
Si un receptor sabe cuándo se envió una señal y cuándo llegó, puede estimar qué distancia recorrió. Las mediciones de varios satélites ayudan a localizarlo. En una solución básica, al menos cuatro satélites permiten calcular las tres coordenadas de posición y el error de su propio reloj.
Esto último importa: un teléfono no contiene un reloj atómico como el de los satélites. El cálculo debe tener en cuenta la imprecisión de su reloj, además de los retrasos y otros errores que afectan a las señales.
Las estaciones terrestres supervisan los relojes y las órbitas de los satélites y proporcionan información actualizada. El GPS es un sistema coordinado de satélites, instalaciones terrestres y receptores, no solo equipos en el espacio.
Dos efectos sobre los relojes actúan en sentidos opuestos
La teoría de la relatividad especial de Einstein nos dice que el movimiento relativo afecta al tiempo medido. En los satélites GPS, el efecto asociado al movimiento hace que sus relojes marchen unos siete microsegundos al día más despacio que una referencia terrestre.
La relatividad general añade el efecto de la gravedad. A la altura de la órbita GPS, hace que los relojes marchen unos 45 microsegundos al día más deprisa que relojes comparables en la superficie. Un microsegundo es una millonésima de segundo.
Juntos, los dos efectos producen un adelanto neto de unos 38 microsegundos diarios en un reloj de satélite sin corregir. Los ingenieros tienen en cuenta la relatividad en el diseño temporal del sistema y en los cálculos de navegación. Sin esas correcciones, el posicionamiento preciso dejaría pronto de ser fiable.
¿Qué significan 38 microsegundos?
La luz recorre unos 11,4 kilómetros en ese tiempo. Es una distancia correspondiente a una diferencia temporal, no una garantía de que el móvil aparecería desplazado exactamente 11,4 kilómetros cada día. La posición se calcula a partir de varias señales, y la geometría y otros errores influyen en el resultado.
La distinción evita que una cifra memorable se convierta en una afirmación engañosa. Lo esencial es que una diferencia diminuta entre relojes resulta enorme para un sistema que mide tiempos de viaje de señales de radio.
Por qué el punto azul sigue moviéndose
Los edificios pueden bloquear las señales o reflejarlas por caminos más largos. Los árboles, los túneles y las condiciones atmosféricas también pueden reducir la precisión. La disposición de los satélites en el cielo influye en la capacidad de sus mediciones para determinar una posición.
Los teléfonos pueden combinar la información de los satélites con el wifi, las redes móviles y los sensores de movimiento. También pueden recibir señales de otros sistemas de satélites, como el europeo Galileo. Por eso, lo que vemos en el mapa suele depender de algo más que del GPS.
Galileo también ha contribuido a investigar la relatividad: científicos utilizaron los relojes de dos satélites con órbitas alargadas para estudiar cómo afectan al tiempo los cambios en las condiciones gravitatorias. Un sistema de navegación se convirtió en un instrumento para comprobar la física en la que se apoya.
Un destino incorrecto no siempre es un error del GPS
El receptor estima tu posición; el servicio de mapas aporta las carreteras, las direcciones y los destinos. Una posición bien medida puede aparecer junto a una entrada mal registrada. El GPS no mantiene la ficha del restaurante en tu aplicación de mapas.
Si tu posición se desplaza, busca un lugar con mejor vista del cielo cuando sea seguro, comprueba el permiso de ubicación de la aplicación y espera a que la posición se estabilice. Si tu posición es correcta pero el marcador del destino está mal, informa del error en el mapa. Las señales de la calle y la dirección del propio establecimiento pueden ayudar a distinguir ambos problemas.
Detrás de un trayecto cotidiano hay mediciones de radio, supervisión terrestre y relojes corregidos con cuidado. La relatividad forma parte de ese trabajo práctico, aunque solo veas un punto avanzando por una calle.
Fuentes y lecturas adicionales
- GPS.gov, GPS Overview - the three segments of the system (https://www.gps.gov/gps)
- GPS.gov, Space Segment - altitude and constellation (https://www.gps.gov/space-segment)
- NIST, Putting Einstein to the Test - GPS clock effects (https://www.nist.gov/atomic-clocks/a-powerful-tool-for-science/putting-einstein-test)
- GPS.gov, Control Segment - monitoring and updates (https://www.gps.gov/control-segment)
- ESA, Galileo Satellites Prove Einstein’s Relativity Theory (2018) (https://www.esa.int/Applications/Satellite_navigation/Galileo_satellites_prove_Einstein_s_Relativity_Theory_to_highest_accuracy_yet)
- GPS.gov, GPS Accuracy - location errors and map-data problems (https://www.gps.gov/gps-accuracy)