Navi im Cockpit

Heute befindet sich die Navigation, genau wie beim Auto, fest in den Händen eines weiteren funkbasierten Systems: GPS (Global Positioning System) oder Satellitennavigation. GPS nutzt die nächstgelegene Handvoll von 24 bis 30 Satelliten (deren Zahl wächst ständig, da die Exaktheit des Systems gesteigert werden soll), die in einer Höhe von 20000 Kilometern rund um den Globus verteilt sind, um die Position eines GPS-Empfängers irgendwo auf der Erde auszumachen. Jeder Satellit verfügt über eine sehr genaue Uhr und sendet permanent die Zeit und seine Position im Orbit. Der GPS-Empfänger nimmt sich üblicherweise vier bis sechs dieser Übertragungen, um seine Position zu bestimmen. Grundlage dabei ist die Kenntnis, wie lange das Satellitensignal braucht, um mit Lichtgeschwindigkeit anzukommen.

GPS ist auch der reale Beweis für Einsteins Relativitätstheorie. Der Physiker entwickelte zwei Relativitätstheorien: Die spezielle Relativitätstheorie, mit der erklärt wird, wie Zeit und Raum durch Bewegung beeinflusst werden, und die allgemeine Relativitätstheorie, die die Auswirkungen von Beschleunigung und Gravitation betrachtet. Wir kommen später dazu, was die Relativitätstheorie im Einzelnen besagt, doch GPS ist das praktische Beispiel, dass Relativität berücksichtigt werden muss. Relativität ist eben nicht bloß eine obskure Theorie, sondern hat direkten Einfluss auf diese allgegenwärtige Technologie.

Die spezielle Relativitätstheorie besagt, dass Uhren, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, langsamer als andere gehen – und sagt somit voraus, dass Uhren in GPS-Satelliten im Verhältnis zu denen auf der Erde pro Tag rund sieben Millionstel Sekunden verlieren, weil sie mit über 13800 Kilometern pro Stunde unterwegs sind. Die allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass die Gravitation gleichfalls Uhren langsamer werden lässt. Da die Satelliten im Orbit einer geringeren Anziehungskraft ausgesetzt sind als Objekte auf der Erdoberfläche, gewinnen ihre Uhren in der Theorie rund 45 Millionstel Sekunden pro Tag. Unterm Strich heißt das, Uhren in GPS-Satelliten müssten um 38 Millionstel Sekunden pro Tag vorgehen – und das tun sie. Diese Abweichung erscheint vernachlässigbar, aber die Satellitennavigation ist von sehr genauen Messungen abhängig, um die Position richtig zu bestimmen. Ohne die Relativitätskorrekturen wäre GPS schon bald nutzlos. Bereits nach einem Tag würde die von GPS errechnete Position ohne die Relativitätsanpassungen um mehrere Kilometer von der realen Position abweichen.