Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

MELD JE AAN
GPS-satelliet

Vandaag [woensdag 25 november] is het precies honderd jaar geleden dat Albert Einstein het sluitstuk van zijn Algemene Relativiteitstheorie publiceerde.

´Sla linksaf na honderd meter´, klinkt het uit het navigatiesysteem van de auto. We zijn zozeer gewend geraakt aan een navigatiesysteem als alwetende gids tijdens onze autoritten dat we vergeten wat een wonder van wetenschap en techniek deze uitvinding is; een uitvinding die onmogelijk was geweest zonder Einsteins relativiteitstheorie, zowel de speciale- als de algemene relativiteitstheorie.

Einsteins algemene relativiteitstheorie heeft nog steeds een diepgaande invloed op onze kijk op het heelal. Zwarte gaten, zwaartekrachtgolven en zwaartekrachtlenzen zijn allemaal voorspellingen die uit dit wetenschappelijke hoogtepunt van de 20e eeuw volgen. Ook het uitdijende heelal kunnen we beschrijven dankzij deze theorie. Wat veel minder mensen weten, is dat de theorie van groot praktisch belang in de moderne samenleving.

Het verhaal over de betekenis van Einstein in ons dagelijks leven begint bij het Global Positioning System (GPS). Rond de aarde cirkelen zo’n dertig GPS-satellieten. Elke GPS-ontvanger op aarde, zoals een navigatiesysteem in een auto of een GPS-horloge van een hardloper, bepaalt zijn positie op het aardoppervlak aan de hand van de signalen die het ontvangt van vier van die GPS-satellieten.

Atoomklokken
Elk uitgezonden GPS-signaal bevat een tijdstempel dat vertelt op welk moment het werd verstuurd. De GPS-ontvanger klokt het moment van ontvangst. Vermenigvuldigen we het tijdverschil tussen uitzenden en ontvangen van het signaal met de lichtsnelheid (300.000 km/s), dan krijgen we de afstand tot de betreffende satelliet. Uit de afstanden tot vier satellieten berekent de GPS-ontvanger zijn plek op aarde.

Voor een nauwkeurige plaatsbepaling zijn nauwkeurige atoomklokken aan boord van de GPS-satellieten nodig. Maar er doemt een probleem op. Klokken worden beïnvloed door de snelheid waarmee ze ten opzichte van de aarde bewegen en door de zwaartekracht die ze voelen.

Volgens Einsteins Speciale Relativiteitstheorie uit 1905 gaan klokken die snel bewegen, langzamer lopen. GPS-satellieten die met een snelheid van 14.000 kilometer per uur rond de aarde vliegen, tikken per dag 7 miljoenste van een seconde langzamer dan klokken op aarde.

Volgens Einsteins Algemene Relativiteitstheorie uit 1915 - vandaag precies honderd jaar geleden gepubliceerd - gaan klokken die minder zwaartekracht voelen juist sneller bewegen. Omdat GPS-satellieten op 20.000 kilometer hoogte bewegen, voelen ze minder zwaartekracht en gaan ze per dag 45 miljoenste van een seconde sneller lopen.

Het effect van de algemene relativiteitstheorie wint het van dat van de speciale relativiteitstheorie. Netto tikken de atoomklokken aan boord van GPS-satellieten per dag dus 38 miljoenste van een seconde sneller dan vergelijkbare atoomklokken op aarde. Wanneer we hiervoor niet corrigeren, vertellen GPS-systemen ons leugens. Elke dag zou de plaatsbepaling maar liefst elf kilometer extra afwijken. Zonder Einsteins relativiteitstheorie zouden al onze GPS-systemen zelfs al na een paar minuten zo onnauwkeurig worden dat ze onbruikbaar zouden zijn.

Ontdek meer in de special