Um in einem Inertialsystem die Gleichzeitigkeit des Eintretens von Ereignissen registrieren zu können und die Zeiten für das Eintreten von Ereignissen von verschiedenen Inertialsystemen aus bewerten zu können, führte ALBERT EINSTEIN (1879-1955) Lichtuhren ein. Eine Lichtuhr ist eine Anordnung, bei der die Laufzeit von Licht zum Messen von Zeiten genutzt wird.
Aufbau und Wirkungsweise
einer Lichtuhr
Den Aufbau einer Lichtuhr zeigt Bild 1. Eine solche Lichtuhr besteht aus
einem stabförmigen Körper, an dessen beiden Enden sich Spiegel
befinden. Zwischen diesen beiden Spiegeln läuft Licht hin und her.
Für den Weg zwischen den Spiegeln braucht es eine bestimmte Zeit.
Gemessen wird also die Laufzeit des Lichtes. Dabei wird von dem grundlegenden
Postulat der speziellen Relativitätstheorie ausgegangen, dass die
Vakuumlichtgeschwindigkeit
in allen Inertialsystemen stets gleich groß und unabhängig
vom Bewegungszustand der Lichtquelle ist.
Beträgt der Abstand zwischen den beiden Spiegeln z.B. 30 cm und geht
man von einer Lichtgeschwindigkeit von 300.000 km/s aus, dann hat die
Laufzeit einen Wert von
Man kann also sagen: Eine Lichtuhr von 30 cm Länge hat einen Zeittakt
von einer Nanosekunde. Eine 1 m lange Lichtuhr hätte dann einen Zeittakt
von ca. 3 Nanosekunden.
Synchronisation
von Lichtuhren
Im Zusammenhang mit dem Problem der Gleichzeitigkeit
dachte EINSTEIN darüber nach, wie man die Gleichzeitigkeit eines
Ereignisses mit verschiedenen Uhren feststellen kann. Dazu ist es erforderlich,
dass
- die Uhren im gleichen Takt gehen und
- die Uhren synchronisiert, also aufeinander abgestimmt sind.
Die erste Forderung ist bei Lichtuhren erfüllt, wenn der Abstand
zwischen den Spiegeln gleich ist.
Für die zweite Forderung gab EINSTEIN eine Vorschrift an, wie man
Lichtuhren synchronisieren kann (Bild 2). Ausgegangen wird von der Konstanz
der Vakuumlichtgeschwindigkeit. In der Mitte zwischen den beiden Uhren
befindet sich eine Lichtquelle, die gleichzeitig einen Lichtblitz nach
beiden Seiten aussendet. Wenn diese Lichtblitze die Uhren erreichen, werden
sie gestartet. Damit ist eine Synchronisation
der Uhren erfolgt. Diese Art der Synchronisation von Uhren wird als
EINSTEIN-Synchronisation
bezeichnet.
Synchronisation
von Atomuhren
Die genannte Art der Synchronisation von Uhren wird heute auch praktisch
bei der Synchronisation von Atomuhren angewendet. Diese ist erforderlich,
um z.B. weltweit arbeitenden Systeme, etwa satellitengestützte Navigationssysteme
(GPS), betreiben zu können.
Technisch erfolgt die Synchronisation, indem eine zu synchronisierende
Uhr von einer anderen Uhr ein Funksignal erhält und sofort zurücksendet.
Wegen der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit ergibt sich der genaue Zeitpunkt
des Eintreffens bei der zu synchronisierenden Uhr aus der halben Gesamtlaufzeit.
Die Laufzeiten liegen dabei auf der Erde in der Regel im Bereich von Millisekunden,
die Synchronisation erfolgt mit einer Genauigkeit im Nanosekunden-Bereich.