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"Wie funktioniert das Global Positioning System? (GPS)"
Das Satellitengestützte Navigationssystem GPS kann Positionen auf der Erde mit einer Genauigkeit von Zentimetern berechnen. Ohne die Berücksichtigung der von Einstein entdeckten Relativität der Zeit würde das System nicht funktionieren.
Wie kam Einstein auf die Idee zur Relativität der Zeit?
Irgendwann im Mai 1905 stand Einstein mit seinem Freund Michele Besso auf einer Anhöhe über Bern. Er deutete auf einen Uhrenturm der Stadt Bern und auf einen Turm des benachbarten Orts Muri. Sie zeigten unterschiedliche Zeiten. Die Uhren Berns waren schon über elektrische Signale gleichgeschaltet. Der aristokratische Vorort Muri dagegen hatte sich noch seine eigene Ortszeit bewahrt. Einstein erklärte an diesem Beispiel die Schwierigkeiten der Uhrensynchronisation, damals ein ganz praktisches Problem und für ihn der Ausgangspunkt für die Spezielle Relativitätstheorie. Auf gleichlaufenden hochexakten Uhren baut heute das Navigationssystem GPS auf. Einstein lieferte den Ingenieuren die Formeln, um die heutigen Synchronisationsprobleme zu lösen.
Wie findet GPS immer die richtige Position?
Das GPS (Global Positioning System) beruht auf einfachen Zeitmessungen. Die 24 Satelliten des Systems senden Radiosignale: Jedes enthält, stark vereinfacht, eine Nachricht der Art: "Ich bin Satellit Nr. X, meine Position ist gerade Y und diese Nachricht wurde zum Zeitpunkt Z versandt". Um nun die Position zu bestimmen, vergleicht der GPS-Empfänger auf der Erde die Zeit, zu der das Signal ausgesandt wurde, mit der Zeit, zu der das Signal empfangen wurde. Aus dieser Zeitdifferenz kann die Entfernung des Satelliten berechnet werden. Mit den Laufzeiten der Signale von mindestens drei Satelliten kann der GPS Empfänger seine Position auf der Erdoberfläche bestimmen.
Dabei gilt: Die Positionsbestimmung ist um so genauer, je genauer die Uhren synchronisiert sind. Hier kommt Einstein ins Spiel. Das Satellitengestützte Navigationssystem GPS kann Positionen auf der Erde mit einer Genauigkeit von Zentimetern berechnen. Ohne die Berücksichtigung der von Einstein entdeckten Relativität der Zeit würde das System nicht funktionieren.
Was würde passieren, wenn Einsteins Entdeckung nicht beachtet würde?
Die Cäsiumatomuhren in den GPS-Satelliten gehen auf etwa eine Nanosekunde (d.h. Milliardstel Sekunden) genau. Da die Satelliten aber mit vierzehntausend Stundenkilometer um die Erde rasen, gehen sie im Vergleich zu den baugleichen Exemplaren in der Bodenkontrolle um 7.000 Nanosekunden pro Tag nach. Aber auch die Allgemeine Relativitätstheorie muss berücksichtigt werden: Die Satelliten umkreisen unseren Planeten in einem Abstand von zwanzigtausend Kilometern. In dieser Höhe gehen die Uhren wegen des schwächeren Gravitationsfeldes um 45. 000 Nanosekunden vor. Zusammengenommen muss die Satellitenzeit deshalb um 38.000 Nanosekunden pro Tag korrigiert werden. Ohne diese Berücksichtigung der relativen Zeit würde das GPS schon nach einem Tag um zehn Kilometer verschobene Positionen melden.
Weiter in der Biografie
Auf welcher Entdeckung beruht die GPS-Technologie?
Zeitstrahl Werk
Wann entdeckte Einstein die Relativität der Zeit?
Zeitstrahl Werk
