Eine totale Sonnenfinsternis half dabei, Einsteins Relativitätstheorie zu beweisen. Heute nutzen wir die gleichen Prinzipien, um die unglaublich winzigen Korrekturen bei der Zeitmessung vorzunehmen, die für eine genaue GPS-Ortung nötig sind.
Satellitensystem für globale Navigation sowie globale Positionssysteme (GPS) sind in alles integriert, das wir in unserem täglichen Leben nutzen – Autos, Handys, Ortungsfunktionen für Haustiere, Drohnen usw. GPS wurde allerdings erst durch die Arbeit von Einstein in Zusammenhang mit der allgemeinen Relativität – doch all diese Arbeit könnte umsonst gewesen sein, wenn es 1919 keine totale Sonnenfinsternis gegeben hätte.
Einstein und die Raumzeit
Einsteins Theorie besagte, dass Masse nicht einfach eine Gravitationskraft bewirkt, sondern vielmehr das theoretische Gewebe verformt, das er Raumzeit nannte, so ähnlich wie ein Gewicht ein flaches, dehnbares Gewebe verformen würde. Einstein hatte im Sinn, dass das, was wir hier auf der Erde als Gravitation interpretieren, nur eine Verzerrung der Raumzeit sei. Leider hatte er keine gute Möglichkeit, dies damals zu beweisen. Einstein konnte nur theoretische Feldgleichungen ableiten, um das Ausmaß dieser Verzerrung abzuschätzen, das durch bestimmte Massen, etwa der Sonne, verursacht würde.
Ein glänzender Durchbruch
Tatsächlich war es Sir Frank Watson Dyson, der Astronomer Royal of Britain, der ein Experiment ersann, mit dem wirklich getestet werden würde, ob so etwas wie die Raumzeit existiert und welchen Einfluss die jeweilige Masse darauf hat. Einsteins Theorie besagte, dass das Licht eines Sterns, das die Sonne passiert, genug gekrümmt werden würde, dass wir auf der Erde tatsächlich die Sterne direkt „hinter“ der Sonne an einer anderen Stelle sehen würden als an ihrem eigentlichen Standort. Doch Einstein konnte nie ein Foto der Sterne hinter der Sonne aufnehmen, denn es ist unmöglich, das dunkel glimmende Sternenlicht direkt hinter der Sonne einzufangen … es sei denn, wie Sir Frank Watson Dyson vorschlug, dies würde während einer totalen Sonnenfinsternis geschehen! Heureka!
Dies konnte erst am 29. Mai 1919 während einer totalen Sonnenfinsternis stattfinden. Die Finsternis reichte von Afrika bis Brasilien, und Sir Dyson sowie Sir Arthur Eddington führten zwei verwandte Expeditionen an, um den benötigten Beweis zu erbringen. Die Expeditionen wurden nach Sobral, Brasilien, und auf die afrikanische Insel Príncipe gesendet. Mehr als ein Dutzend Fotografien der Sonnenfinsternis wurden zwischen den beiden Standorten aufgenommen, und alle wurden genutzt, um Einsteins Theorie und seine genauen Vorhersagen zu bestätigen.
Obwohl sie für das menschliche Auge fast identisch aussehen, befinden sich die Sterne, die rund um die Sonne herum zu sehen sind, eigentlich an einem anderen Ort als dem, den wir sehen und hier auf der Erde interpretieren. Dieses Phänomen wird jetzt Gravitationslinseneffekt genannt und ist für Einstein der Beweis dafür, dass die größte Theorie, die er je aufstellte, tatsächlich wahr ist. In unserer physischen, alltäglichen Welt wirkt sich die Gravitation direkt auf die Zeit aus.
Von der Raumzeit zur Satellitentechnik
Seit Einsteins Theorie bewiesen wurde, haben wir immer wieder festgestellt, dass die allgemeine Relativität allen Dingen um uns herum zu eigen ist. In der modernen Wissenschaft wurde die Differenz zwischen der Gravitation und ihrer Auswirkung auf die Zeit so genau gemessen, dass, wenn Sie das Labor des National Institute of Standards and Technology besuchen und 79 Jahre lang 33 cm höher stehen als Ihr Bekannter, Sie um genau 90 Billionstel Sekunden schneller altern würden als diese Person. Allerdings werden zwei identische Aluminium-Uhren genutzt, um dies zu ermitteln. Einstein hatte keine solche Uhr, doch die Forschung beweist seine Theorie gleichfalls.
Für uns heute bedeutet dies schließlich, dass Uhren mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ticken, wenn sie verschieden starken Gravitationsfeldern ausgesetzt sind. Da GPS-Satelliten in einer Höhe von rund 20.000 km über der Erdoberfläche fliegen, sind sie einer erheblich anderen Gravitation ausgesetzt als wir und ticken daher schneller als die Uhren auf der Erde … aber nur etwas schneller. Beim Start im Jahr 1977 waren die Cäsium-Atomuhren an Bord von GPS-Satelliten darauf ausgelegt, 38 µs langsamer zu „ticken“ als Uhren hier auf der Erde, sodass unter dem Einfluss der allgemeinen Relativität der gleiche Zeitstempel gilt. Diese winzige Zeitkorrektur, die von Einstein lange vorausgesagt worden war, ermöglicht kleine, sofort einsatzfähige GPS-Module, die Ihren aktuellen Standort mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern bestimmen können.
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Quellen:
A Determination of the Deflection of Light by the Sun’s Gravitational Field, from Observations made at the Total Eclipse of May 29, 1919: Sir F. W. Dyson. 6. November 1919.
Nist Pair of Aluminum Clocks Reveal Einstein’s Relativity at a Personal Scale. 23. September 2010.