Welt der Naturwissenschaften
(Scientific Medley)

 Jahresübersicht 2015

Die Gedankenfreiheit ist die einzig wahre und die größte Freiheit, die der Mensch erreichen kann.
(Maxim Gorki)

21. November 2024

Von der Öffentlichkeit kaum bemerkt, wurden kürzlich der neunte und zehnte Galileo-Satellit in eine Erdumlaufbahn geschossen. Galileo ist das europäische Konkurrenzprodukt zum amerikanischen GPS (Global Positioning System), das seit 1995 im Vollbetrieb läuft. Als Europa ankündigte, ein eigenes System entwickeln zu wollen, gab US-Präsident Clinton das GPS weltweit für zivile Anwendungen frei. Viele von uns benützen heute dieses System im PKW und auf dem Mobiltelefon. Die Hoffnung der Amerikaner, die Entwicklung eines europäischen Systems dadurch verhindern zu können, war vergeblich.

Globale Ortungssysteme werden von den weltbesten Physikern, Technikern, Elektronikern und Programmieren konstruiert. Die Satelliten werden in rund 20.000 Kilometern Höhe so positioniert, dass immer mindestens vier Satelliten auf einmal im Funkbereich liegen. Jeder einzelne Satellit hat eine Atomuhr an Bord und sendet ununterbrochen Informationen über Position und Zeit.

Da sich die Satellitensignale mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, kann die von ihnen zurückgelegte Strecke ermittelt werden. Die Informationen über den Zeitpunkt und den Ort der Aussendung sind im elektromagnetischen Signal enthalten, die Ankunftszeit wird vom Empfänger gemessen. Nun stehen die Satelliten nicht still, und auch die Erde rotiert um ihre Achse. Außerdem spielt das Schwerefeld der Erde eine Rolle. Das hat Konsequenzen. Der Abstand zum Satelliten ändert sich laufend. Die so entstehende (relativistische) Ungenauigkeit beweglicher Uhren wird mit Hilfe technischer Tricks korrigiert.

Bei diesen Herausforderungen spielt Einsteins Relativitätstheorie eine große Rolle. Die Effekte der allgemeinen Relativitätstheorie von 1915 sind sogar größer als die der speziellen Relativitätstheorie von 1905. Die Satellitenuhren verhalten sich so, als ob sie um vierzig milliardstel Prozent schneller gingen, als sie auf der Erde geeicht worden sind. Die vom Empfänger (Mobiltelefon, Navi im PKW usw.) gemessenen Frequenzen müssten daher rechnerisch um diesen Betrag verkleinert werden. Um sich diese Korrekturen bei der Datenanalyse zu sparen, wurde ein raffinierter Kniff angewandt. Die Satellitenuhren werden nicht auf die in Atomuhren übliche „Atomfrequenznormale“ von 10,23 Megahertz, sondern auf eine kleinere Frequenz geeicht.

In den Satellitensystemen müssen also Einstein-Korrekturen enthalten sein. Ohne sie würden GPS, Galileo und das russische „Glonass“ falsche Daten liefern. Erstaunlich, dass es trotzdem immer noch Menschen gibt, die die Relativitätstheorie für Unsinn halten. Sie glauben möglicherweise auch daran, dass die Erde nur ein paar tausend Jahre alt ist.

Die Sekunde

Helden der Wissenschaft:
Roger Penrose
(* 1931) berechnete gemeinsam mit Stephen Hawking die Verteilung von Masse und Energie im Universum und bewies die Existenz von Schwarzen Löchern.