Das Global Positioning System wurde nicht gebaut um die Relativitätstheorie zu beweisen oder um deren Voraussagen zu überprüfen. Dennoch eignet es sich zur Überprüfung einiger relativistischer Effekte. Zweifelsfrei beweisen kann es die Relativitätstheorie nicht, weil solch ein Beweis gar nicht möglich ist. Eine Theorie lässt sich nur überprüfen. Insbesondere sind die Vorhersagen der speziellen Relativitätstheorie mit der Lorentzschen Äthertheorie identisch, so dass zwischen diesen Theorien experimentell nicht unterschieden werden kann (siehe Unterschied Lorentz - Einstein). Mit Hilfe des GPS ist es dagegen zweifelsfrei möglich zwischen der klassischen Newtonschen Mechanik und Einsteins Relativitätstheorie zu unterscheiden.
Das Global Positioning System arbeitet nach dem Prinzip des Pseudoranging. Die Position des Empfängers wird bestimmt, indem die Funksignal-Laufzeit von mindestens vier Satelliten zum Empfänger ausgewertet wird. Damit ist es schonmal auf eine Konstanz der Lichtgeschwindigkeit (mit der sich auch Funkwellen ausbreiten) angewiesen. Da Funksignale in einer Sekunde fast 300.000 Km zurücklegen und die Satelliten sich in 20200 km Höhe befinden, muss die Laufzeit sehr genau bekannt sein um den Ort mit Metergenauigkeit zu bestimmen. Die Satelliten müssen also sehr genaue Uhren mit sich führen. Das System gewährleistet, dass die Satellitenuhren höchstens eine Mikrosekunde von der GPS-Systemzeit abweichen.
Nach der Relativitätstheorie von Einstein gehen Uhren in großen Höhen allein aufgrund der Struktur des Raumes schneller als auf der Erde. Außerdem gehen Uhren schnell bewegter Objekte langsamer als ruhende Uhren. Die Satelliten befinden sich mit 20200 km in großer Höhe und haben eine Geschwindigkeit von mehr als 3,8 km/s. Damit ergibt sich für den Höheneffekt, dass die Uhren pro Tag um 45 Mikrosekunden vorlaufen müssten. Der Geschwindigkeitseffekt bewirkt dagegen, dass die Uhren um 7 Mikrosekunden pro Tag zurückbleiben sollten. In der Summe ergibt sich ein relativistischer Effekt von 38 Mikrosekunden, um den die Satellitenuhren korrigiert sind und der deutlich größer ist als die Genauigkeit der Uhren, so dass er einwandfrei belegbar ist.
Die relativistischen Effekte in den Satelliten lassen sich auch direkt mit Hilfe des relativistischen Dopplereffekts nachweisen. Nach offizieller Spezifikation der Satelliten wird das Signal L1 mit einer Frequenz von 10.22999999543 MHz generiert. Aufgrund des relativistischen Dopplereffekts kommt es auf der Erde mit genau 10.23 MHz an. Dieser Unterschied von 4,567 Millihertz ist klein aber nachweisbar.
Letzte Änderung: 13.12.2006
© Joachim Schulz