Meine Funkuhr geht falsch
Meine Funkuhr geht falsch. Das tut sie nicht erst seit heute, es ist seit dem Einlegen der Batterie und dem ersten Synchronisieren auf den Zeitzeichensender DCF77 in Mainflingen bei Frankfurt so. Mein Wohnort ist etwa 200 km Luftlinie entfernt, bei einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von ca. 300.000 km/s erreicht meine Uhr das Signal eine knappe Tausendstel Sekunde zu spät. Außerdem muss nach dem Empfangen des Signals der Uhrzeiger in die nächste Position bewegt werden, bei einem mechanisch so trägen System geht weitere Zeit verloren.
Die in Nachrichtensendungen häufig eingeblendete Uhr zeigt ebenfalls die „falsche” Zeit an. Sie muss sogar noch viel ungenauer sein: Zuerst fliegt das Signal vom Zeitzeichensender zur Fernsehstation, wird dort zeitraubend aufbereitet und in das Fernsehprogramm eingebettet. Erst danach wird das Fernsehsignal ausgestrahlt, das meinen Fernseher wiederum noch später erreicht. In diesem gibt es weitere Verzögerungen.
Der Zeitzeichensender befindet sich auf dem 9°-Längenkreis, d.h. die astronomische Zeit liegt etwa 36 Minuten vor Greenwich, dem Nullmeridian. Tatsächlich strahlt der Zeitzeichensender aber die Mitteleuropäische Zeit aus, die eine Stunde dazu versetzt liegt. Astronomisch gesehen liegt die Zeit des Zeitzeichensenders also sogar ganze 6 Minuten falsch.
Theoretisch feiern nur diejenigen Deutschen Silvester zur richtigen Zeit, die entlang des 7,5ten Längengrades leben, d.h. etwa entlang der Linie Emden-Münster-Koblenz. Die östlicher gelegenen Orte feiern zu spät, die westlicheren zu zeitig. Trotzdem wird man kaum jemanden davon überzeugen können, das Anstoßen und die Knallerei um mehrere Minuten zu verschieben, das Konzept einer einheitlichen Zeitzone hat sich fest in unseren Köpfen eingeprägt.
Das war nicht immer so. In dem Buch „Einsteins Uhren, Poincarés Karten” von Peter Galison wird die historische Entwicklung nachgezeichnet. Der Autor stellt dabei insbesondere den Beitrag zweier Männer heraus, des französischen Mathematikers, Physikers und Ingenieurs Henri Poincaré und des Physikers und Angestellten des Berner Patentamts Albert Einstein.
In der vorindustriellen Zeit hatte jeder Ort seine eigene Zeit, die am Kirchturm angezeigt und mit dem Glockenläuten verbreitet wurde. Diese Uhr wurde sicherlich ab und zu am Sonnenstand neu justiert. Reisende, die bereits eine Taschenuhr besaßen, mussten diese nahezu in jedem Ort neu stellen. Mit dem Beginn des Eisenbahnzeitalters änderte sich das. Eisenbahnen verbanden Orte miteinander, es wurden Fahrpläne aufgestellt. Praktisch führte das dazu, dass die Eisenbahnen den Orten, die sie anfuhren, „ihre” Uhrzeit aufdrückten. Später, nach der Erfindung der elektrischen Telegrafie, konnten Uhren elektrisch synchronisiert werden. Diese elektrische Synchronisierung löste in einigen größeren Orten ältere Systeme ab, zum Beispiel das pneumatische von Paris.
Im Buch sehr interessant zu lesen sind die Abschnitte über die Reibereien zwischen den einzelnen Nationalstaaten, als das System der Zeitzonen eingeführt werden sollte. Während sich die Franzosen bei der Dezimalisierung von Längen und Gewichten durchsetzen konnten, scheiterten sie bei der Dezimalisierung der Zeit. So haben wir gottseidank keine Dekaden zu je zehn Tagen und keine Tage mit zehn Stunden, die wiederum aus 100 Minuten zu je 100 Sekunden bestehen, sondern das bereits seit langem bestehende System aus 7-Tage-Wochen, 24 Stunden, 60 Minuten und 60 Sekunden. Auch die Festlegung des Nullmeridians wurde zum Politikum. Greenwich ist bekanntlich ein britischer Ort, die Franzosen wollten aber aus Gründen der nationalen Ehre, dass der Nullmeridian durch einen Vorort von Paris verläuft.
Während so in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts diese und viele andere praktische Probleme gelöst wurden, ging die physikalische Untersuchung der Welt weiter. Die Synchronizität von Uhren und die darauf aufbauende Neuvermessung der Erde waren praktische Probleme, die aber neue theoretische Fragen aufwarfen. Die alltägliche Nutzung drahtloser elektromagnetischer Wellen lies das Problem ungelöst, wie sich diese durch das Vakuum bewegen können, und die messtechnisch nachgewiesene Konstanz der Lichtgeschwindigkeit passte nicht in die damaligen theoretischen Konzepte der Physik.
Poincaré war an allem sowohl praktisch als auch theoretisch maßgeblich beteiligt, mit ihm wird in diesem Buch deutlich gemacht, dass die Relativitätstheorie nicht aus dem Nichts kam, sondern eine Antwort auf viele praktische Fragen lieferte, die zur damaligen Zeit aktuell waren. In diesen Kontext passt dann auch, wieso sich gerade Einstein, ein ziemlich junger Mitarbeiter eines x-beliebigen Patentamts, mit solchen Fragen beschäftigt haben konnte. Es wird davon ausgegangen, dass er in dieser Zeit in jedem Jahr etwa ein Dutzend Patente zu begutachten hatte, die sich mit der Synchronisierung von Uhren und ähnlichen technischen Verfahren und Apparaten beschäftigt haben. So ist dann letztendlich sein berühmter Artikel „Zur Elektrodynamik bewegter Körper” eher in einem für Patente typischen Stil als in einem für physikalische Artikel gehalten.
Für mich macht das Buch sehr deutlich, dass es eine physikalisch gleichwertige „Relativitätstheorie” auch ohne Einstein gegeben hätte, die Zeit war einfach reif dafür. Die wesentlichen Experimente waren bekannt, die Probleme benannt, Teillösungen lagen auf dem Tisch. Vielleicht hätte es ein paar Jahre länger gedauert, vielleicht wären einige der mathematischen Formulierungen zu Beginn anders, komplizierter ausgefallen. Wenn sich aber genügend Leute mit einem Problem beschäftigen und es eine Lösung gibt, dann wird diese auch gefunden werden.
Heute hat das Ringen um die Synchronizität der Uhrzeit einen unglaublichen Stand erreicht. Das vielleicht beste Beispiel ist das Global Positioning System (GPS). Es besteht aus vierundzwanzig Satelliten, die jeweils (kodiert) die Uhrzeit einer in ihnen installierten Atomuhr senden. Die Genauigkeit dieser Uhrzeiten beträgt 50 Nanosekunden pro Tag[1].
Als diese Satelliten in den Orbit geschossen wurden, war zunächst wegen Zweifeln der GPS-Ingenieure die relativistische Zeitkorrektur abgeschaltet. Diese ist notwendig, weil die Satelliten sich schneller als Punkte auf der Erdoberfläche bewegen (deshalb gehen die Uhren dort oben 7 Millionstel langsamer - Spezielle Relativitätstheorie) und weil sie einer geringeren Gravitation ausgesetzt sind (deshalb gehen die Uhren 45 Millionstel schneller - Allgemeine Relativitätstheorie). Beide Effekte führen insgesamt zu einer Gangabweichung von 38.000 Nanosekunden je Tag. Das ergäbe bereits nach einem Tag eine um 10 Kilometer falsche, aus den GPS-Daten ermittelte Position. - Ganz schnell wurde deshalb der Softwareprogrammteil für die relativistische Zeitkorrektur eingeschaltet - eine glänzende experimentelle Bestätigung der beiden Relativitätstheorien.
„Einsteins Uhren, Poincarés Karten” ist ein sehr interessantes Buch, ohne Formeln; sehr gut lesbar für alle, die Interesse an dem Phänomen „Zeit” haben, sich für die historische Entwicklung unserer Vorstellungen dazu, für die Wechselbeziehungen zwischen Physik und Technik und für die beiden Hauptpersonen, Henri Poincaré und Albert Einstein interessieren.
[1] Wenn man die Position der Satelliten am Himmel kennt, dann kann man aus den Uhrzeitdifferenzen auf die unterschiedlichen Abstände zu diesen schließen und daraus die eigene aktuelle Position berechnen. In 50 Nanosekunden legt ein elektromagnetisches Signal 15 Meter zurück, mit ein paar Tricks kann man deshalb bei dieser Uhrenpräzision seine Position auf 2,4 Meter genau bestimmen.
Kategorien: Bücher, Physik
Die in Nachrichtensendungen häufig eingeblendete Uhr zeigt ebenfalls die „falsche” Zeit an. Sie muss sogar noch viel ungenauer sein: Zuerst fliegt das Signal vom Zeitzeichensender zur Fernsehstation, wird dort zeitraubend aufbereitet und in das Fernsehprogramm eingebettet. Erst danach wird das Fernsehsignal ausgestrahlt, das meinen Fernseher wiederum noch später erreicht. In diesem gibt es weitere Verzögerungen.
Der Zeitzeichensender befindet sich auf dem 9°-Längenkreis, d.h. die astronomische Zeit liegt etwa 36 Minuten vor Greenwich, dem Nullmeridian. Tatsächlich strahlt der Zeitzeichensender aber die Mitteleuropäische Zeit aus, die eine Stunde dazu versetzt liegt. Astronomisch gesehen liegt die Zeit des Zeitzeichensenders also sogar ganze 6 Minuten falsch.
Theoretisch feiern nur diejenigen Deutschen Silvester zur richtigen Zeit, die entlang des 7,5ten Längengrades leben, d.h. etwa entlang der Linie Emden-Münster-Koblenz. Die östlicher gelegenen Orte feiern zu spät, die westlicheren zu zeitig. Trotzdem wird man kaum jemanden davon überzeugen können, das Anstoßen und die Knallerei um mehrere Minuten zu verschieben, das Konzept einer einheitlichen Zeitzone hat sich fest in unseren Köpfen eingeprägt.
Das war nicht immer so. In dem Buch „Einsteins Uhren, Poincarés Karten” von Peter Galison wird die historische Entwicklung nachgezeichnet. Der Autor stellt dabei insbesondere den Beitrag zweier Männer heraus, des französischen Mathematikers, Physikers und Ingenieurs Henri Poincaré und des Physikers und Angestellten des Berner Patentamts Albert Einstein.In der vorindustriellen Zeit hatte jeder Ort seine eigene Zeit, die am Kirchturm angezeigt und mit dem Glockenläuten verbreitet wurde. Diese Uhr wurde sicherlich ab und zu am Sonnenstand neu justiert. Reisende, die bereits eine Taschenuhr besaßen, mussten diese nahezu in jedem Ort neu stellen. Mit dem Beginn des Eisenbahnzeitalters änderte sich das. Eisenbahnen verbanden Orte miteinander, es wurden Fahrpläne aufgestellt. Praktisch führte das dazu, dass die Eisenbahnen den Orten, die sie anfuhren, „ihre” Uhrzeit aufdrückten. Später, nach der Erfindung der elektrischen Telegrafie, konnten Uhren elektrisch synchronisiert werden. Diese elektrische Synchronisierung löste in einigen größeren Orten ältere Systeme ab, zum Beispiel das pneumatische von Paris.
Im Buch sehr interessant zu lesen sind die Abschnitte über die Reibereien zwischen den einzelnen Nationalstaaten, als das System der Zeitzonen eingeführt werden sollte. Während sich die Franzosen bei der Dezimalisierung von Längen und Gewichten durchsetzen konnten, scheiterten sie bei der Dezimalisierung der Zeit. So haben wir gottseidank keine Dekaden zu je zehn Tagen und keine Tage mit zehn Stunden, die wiederum aus 100 Minuten zu je 100 Sekunden bestehen, sondern das bereits seit langem bestehende System aus 7-Tage-Wochen, 24 Stunden, 60 Minuten und 60 Sekunden. Auch die Festlegung des Nullmeridians wurde zum Politikum. Greenwich ist bekanntlich ein britischer Ort, die Franzosen wollten aber aus Gründen der nationalen Ehre, dass der Nullmeridian durch einen Vorort von Paris verläuft.
Während so in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts diese und viele andere praktische Probleme gelöst wurden, ging die physikalische Untersuchung der Welt weiter. Die Synchronizität von Uhren und die darauf aufbauende Neuvermessung der Erde waren praktische Probleme, die aber neue theoretische Fragen aufwarfen. Die alltägliche Nutzung drahtloser elektromagnetischer Wellen lies das Problem ungelöst, wie sich diese durch das Vakuum bewegen können, und die messtechnisch nachgewiesene Konstanz der Lichtgeschwindigkeit passte nicht in die damaligen theoretischen Konzepte der Physik.
Poincaré war an allem sowohl praktisch als auch theoretisch maßgeblich beteiligt, mit ihm wird in diesem Buch deutlich gemacht, dass die Relativitätstheorie nicht aus dem Nichts kam, sondern eine Antwort auf viele praktische Fragen lieferte, die zur damaligen Zeit aktuell waren. In diesen Kontext passt dann auch, wieso sich gerade Einstein, ein ziemlich junger Mitarbeiter eines x-beliebigen Patentamts, mit solchen Fragen beschäftigt haben konnte. Es wird davon ausgegangen, dass er in dieser Zeit in jedem Jahr etwa ein Dutzend Patente zu begutachten hatte, die sich mit der Synchronisierung von Uhren und ähnlichen technischen Verfahren und Apparaten beschäftigt haben. So ist dann letztendlich sein berühmter Artikel „Zur Elektrodynamik bewegter Körper” eher in einem für Patente typischen Stil als in einem für physikalische Artikel gehalten.
Für mich macht das Buch sehr deutlich, dass es eine physikalisch gleichwertige „Relativitätstheorie” auch ohne Einstein gegeben hätte, die Zeit war einfach reif dafür. Die wesentlichen Experimente waren bekannt, die Probleme benannt, Teillösungen lagen auf dem Tisch. Vielleicht hätte es ein paar Jahre länger gedauert, vielleicht wären einige der mathematischen Formulierungen zu Beginn anders, komplizierter ausgefallen. Wenn sich aber genügend Leute mit einem Problem beschäftigen und es eine Lösung gibt, dann wird diese auch gefunden werden.
Heute hat das Ringen um die Synchronizität der Uhrzeit einen unglaublichen Stand erreicht. Das vielleicht beste Beispiel ist das Global Positioning System (GPS). Es besteht aus vierundzwanzig Satelliten, die jeweils (kodiert) die Uhrzeit einer in ihnen installierten Atomuhr senden. Die Genauigkeit dieser Uhrzeiten beträgt 50 Nanosekunden pro Tag[1].
Als diese Satelliten in den Orbit geschossen wurden, war zunächst wegen Zweifeln der GPS-Ingenieure die relativistische Zeitkorrektur abgeschaltet. Diese ist notwendig, weil die Satelliten sich schneller als Punkte auf der Erdoberfläche bewegen (deshalb gehen die Uhren dort oben 7 Millionstel langsamer - Spezielle Relativitätstheorie) und weil sie einer geringeren Gravitation ausgesetzt sind (deshalb gehen die Uhren 45 Millionstel schneller - Allgemeine Relativitätstheorie). Beide Effekte führen insgesamt zu einer Gangabweichung von 38.000 Nanosekunden je Tag. Das ergäbe bereits nach einem Tag eine um 10 Kilometer falsche, aus den GPS-Daten ermittelte Position. - Ganz schnell wurde deshalb der Softwareprogrammteil für die relativistische Zeitkorrektur eingeschaltet - eine glänzende experimentelle Bestätigung der beiden Relativitätstheorien.
„Einsteins Uhren, Poincarés Karten” ist ein sehr interessantes Buch, ohne Formeln; sehr gut lesbar für alle, die Interesse an dem Phänomen „Zeit” haben, sich für die historische Entwicklung unserer Vorstellungen dazu, für die Wechselbeziehungen zwischen Physik und Technik und für die beiden Hauptpersonen, Henri Poincaré und Albert Einstein interessieren.
[1] Wenn man die Position der Satelliten am Himmel kennt, dann kann man aus den Uhrzeitdifferenzen auf die unterschiedlichen Abstände zu diesen schließen und daraus die eigene aktuelle Position berechnen. In 50 Nanosekunden legt ein elektromagnetisches Signal 15 Meter zurück, mit ein paar Tricks kann man deshalb bei dieser Uhrenpräzision seine Position auf 2,4 Meter genau bestimmen.
Kategorien: Bücher, Physik
Samstag, 01.Januar 2005