Fragen zum Relativitätsprinzip

Was ist das Problem bei einer Einweg-Messung der Lichtgeschwindigkeit?

Während die erste Messung der Lichtgeschwindigkeit von dem dänischen Astronom Ole Rømer noch als Laufzeitmessung eines Lichtstrahls vom Saturn zur Erde erfolgte und auch das Alväger Experiment auf eine einfache Laufzeitmessung beruht, werden die genausten Messungen der Lichtgeschwindigkeit heute als Mehrweg-Messungen durchgeführt. Vor allem wenn nach kleinen Abweichungen von den Vorhersagen der Relativiätstheorie gesucht wird, kommen meist Mehrweg-Messungen zum Einsatz. Was ist also das Problem bei Einwegmessungen?

Bei einer Einwegmessung spielt die Synchronisation von Uhren eine zentrale Rolle. Gleichzeitigkeit muss, so intuitiv dieser Begriff auch scheint, zunächst definiert und dann mit hinreichender Genauigkeit realisiert werden. Dieses Synchronisationsproblem wird bei Einwegmessungen unterschiedlich gelöst. Ole Rømer hat zum Beispiel die Bewegung der Jupitermonde nach Newtons Mechanik berechnet und diese Berechnungen mit der tatsächlichen Beobachtungszeit verglichen. Dabei erhielt er das Ergebnis, dass das Licht etwa 22 Minuten für die Durchquerung eines Erdbahn-Durchmessers brauche. Tatsächlich sind es etwa 17 Minuten. Die Genauigkeit war also begrenzt. Heute kann man mit Einwegmessungen von Lichtsignalen bei bekannter Lichtgeschwindigkeit den eigenen Standort bestimmen. Auf diesem Prinzip basiert die Satellitennavigation (GPS). Die Synchronisation der Satelliten wird dabei vom Betreiber sichergestellt. Dass hierbei relativistische Effekte beachtet werden müssen, zeigt eindrücklich, dass auch mit Einwegmessungen die Aussagen der Relativitätstheorie kontrolliert werden können. Einwegmessungen sind also praktisch möglich und sinnvoll.

Größte Genauigkeiten in der Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit und damit zur Überprüfung der Relativitätstheorien erreicht man aber mit Mehrwegmessungen. Durch vielfache Reflexionen eines Lichtstrahles in einem Resonator oder in einem Interferometer kann der effektive Lichtweg deutlich verlängert werden. Man kommt außerdem mit nur einer Uhr aus und benötigt deshalb keine aufwendige Synchronisation der Uhren. Dass man in der modernen Physik weitgehend auf Einwegmessungen zur Überprüfung der Relativitätstheorie verzichtet, liegt also daran, dass die Anforderungen an die Genauigkeit bei neuen Experimenten sehr hoch sind.

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Letzte Änderung: 25.02.2007

© Joachim Schulz

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