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Relativ genau

erstellt von timo_meyer zuletzt verändert: 17.11.2016 13:36 — abgelaufen

Heute vor 106 Jahren reichte Albert Einstein den ersten Aufsatz zur Speziellen Relativitätstheorie ein. Die Arbeit revolutionierte unser Weltbild – indirekt sogar noch heute: Die modernen Beobachtungssatelliten der Geoforscher würden ohne Einsteins Erkenntnisse nicht funktionieren.

Manchmal könnte man den Eindruck gewinnen, als ob alles in unserer hochtechnologischen Welt auf Albert Einstein beruht. Das liegt jedoch weniger an der Zahl der Entdeckungen des Physikers als vielmehr daran, dass diese von so fundamentaler Natur sind, dass viele andere technische Entwicklungen auf ihnen beruhen. Die Liste der Beispiele ist lang: Solarzellen, DVD-Player, Laserskalpelle, Kreiselkompass. Auch viele wissenschaftliche Erkenntnisse wären ohne Einsteins Vorarbeiten kaum denkbar. Nirgendwo wird dies deutlicher als bei seiner fundamentalsten Entdeckung, die ihren Siegeszug am 30. Juni 1905 antrat: die Relativitätstheorie.

Einstein im Jahr 1921

Einstein im Jahr 1921. Ein Jahr später erhielt er den Physik-Nobelpreis – allerdings nicht für die Relativitätstheorie, sondern die Deutung des Photoelektrischen Effekts. (Foto: Ferdinand Schmutzer)

 
Die Arbeit, die der Patentbeamte Einstein vor 106 Jahren einreicht, trägt noch den eher unscheinbaren Titel „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“. Sie stellt einen Spezialfall der zehn Jahre später veröffentlichten Allgemeinen Relativitätstheorie dar, weshalb sie heute als Spezielle Relativitätstheorie bekannt ist. Beide Teile sowie Einsteins berühmte Formel E=mc2 postulierten zusammengenommen nicht weniger als ein vollkommen neues Bild von Raum und Zeit, Energie und Materie. Alle diesen Größen waren nicht länger unveränderbare Konstanten, sondern ineinander transformierbar, konnten gedehnt und gestaucht werden, waren relativ. Einzig feststehend waren in der Theorie Einsteins nur noch die Geschwindigkeit des Lichts sowie die Tatsache, dass dieses durch nichts in unserem Universum überholt werden kann.

Beide Aussagen, „die Lichtgeschwindigkeit ist konstant“ sowie „nichts ist schneller als das Licht“, führten zu einer überraschend formbaren Wirklichkeit. In einem mit annähernder Lichtgeschwindigkeit dahin rasenden System läuft nicht nur die Zeit langsamer, sondern auch der Raum verändert sich – alle Körper erscheinen in Richtung der Bewegung verkürzt. Beide Effekte laufen unserer Alltagserfahrung zuwider, vor allem deshalb, weil wir selten die Gelegenheit bekommen, mit 300000 Kilometer pro Sekunde zu reisen. Ignorieren darf man die „Zeitdilatation“ und die „Längenkontraktion“ trotzdem nicht, das wissen vor allem Satellitenbauer. Ihre Konstruktionen bekommen auf ihren Flugbahnen in einigen hundert bis mehreren tausend Kilometern Höhe und bei Geschwindigkeiten von einigen tausend km/h sehr wohl relativistische Effekte zu spüren. Auf die empfindlichen Messgeräte an Bord kann das einen großen Einfluss haben.

Erdbeobachtungssatelliten, die die Erdoberfläche bzw. das Erdschwerefeld hochpräzise vermessen und damit den Geowissenschaftlern wichtige Informationen über unseren Planeten vermitteln, sind auf das GPS, das Global Positioning System, angewiesen, um ihre genaue Position und Flugbahn zu bestimmen. Die GPS-Satelliten wiederum arbeiten mit präzisen Zeitsignalen, aus deren Laufzeit GPS-Empfänger am Erdboden dann ihre eigene Position und Geschwindigkeit berechnen können.

Die Satelliten haben dazu Atomuhren an Bord. Diese laufen zwar extrem genau und absolut synchron, werden allerdings nach Einsteins Relativitätstheorie durch zwei Faktoren beeinflusst. Durch die hohen Geschwindigkeiten, mit denen die Satelliten die Erde umkreisen, laufen ihre Borduhren langsamer als Uhren am Boden, um etwa 7 Millionstel Sekunden pro Tag. Durch die geringere Schwerkraft in einigen tausend Kilometern Höhe wiederum laufen die Uhren um 46 Millionstel Sekunden pro Tag schneller als hier unten bei uns – eine direkte Folge der Allgemeinen Relativitätstheorie, die besagt, dass die Zeit durch ein stärkeres Schwerefeld gedehnt wird. Rechnet man alles zusammen heißt das: Die Diskrepanz zwischen Bordzeit und Erdzeit nimmt mit jedem Tag um 39 Millisekunden zu. Würde man Einsteins Entdeckung also beim Bau der Uhren nicht berücksichtigen, würde das GPS schon nach einem Tag falsche Positionsdaten liefern, die kilometerweit vom richtigen Ort abweichen.

Für Satelliten wie etwa GOCE wäre das eine Katastrophe. Der ESA-Satellit misst das Schwerefeld unseres Planeten in bisher unerreichter Präzision und soll so ganz neue Einsichten in Themen wie Plattentektonik, Ozeanströmungen, den klimabedingten Anstieg des Meeresspiegels und sogar genauere Karten des oberirdischen Erdprofils liefern. Sein wichtigstes Bordinstrument neben dem Gradiometer ist dabei ein GPS-Hochleistungsempfänger zur zentimetergenauen Bahnbestimmung. Ohne ein funktionstüchtiges, „Einstein-taugliches“ GPS-Netzwerk, mit dem der Satellit in Kontakt steht, wüsste er nie genau, wo er sich befindet; eine punktgenaue Vermessung des Erdschwerefelds wäre unmöglich, ganzen Forschungsprogrammen die Datengrundlage entzogen. Nicht nur während der Verwendung des Navis im Auto, sondern auch beim Lesen neuester Erkenntnisse aus Satellitenmissionen sollte man daher ruhig einmal im Stillen Albert Einstein danken.

TM, iserundschmidt 06/2011


Viele Projekte des GEOTECHNOLOGIEN-Programms – bereits eingestellte, aber auch aktuell laufende – fußen auf Satellitendaten, die Geoforschern ein immer präziseres Bild unseres Planeten vermitteln. Mehr Informationen dazu finden Sie auf den Seiten der GEOTECHNOLOGIEN und in der vom Forschungs- und Entwicklungsprogramm ausgerichteten Wanderausstellung "Die Erde im Visier", die noch bis zum 28. August im Staatlichen Naturkundemuseum Karlsruhe zu sehen sein wird.

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