Geodäsie und Quantenphysik

Abstract

Im Jahr 1880 äußerte HELMERT fest, "Geodäsie ist die Wissenschaft von der Ausmessung und Abbildung der Erdoberfläche". Mit diesem Zitat werden viele geodätische Arbeiten begonnen, und auch für den vorliegenden Beitrag soll es als Einführung dienen. Heute, gut 120 Jahre nach Definition von Helmert, präsentiert sich die Geodäsie mit einem enorm breiten Spektrum von Aufgaben und Tätigkeiten, so dass die helmertsche Charakterisierung nicht alle Beschäftigungsfelder der Geodäsie abzudecken scheint. Wohl ist der gemeinsame Bezug, dass alle Aktivitäten in Zusammenhang mit der "Ausmessung der Erde" stehen. Insofern wir auf der einen Seite die Gültigkeit des oben angeführten Zitates auch heute noch im Grundsatz anerkannt, anderseits ist die helmertsche Festlegung immer wieder Ausgangspunkt wissenschaftstheoretischer Diskussionen. Diesbezüglich ist anzumerken, dass eine solche Reflexion auf die Charakteristika der Geodäsie ein Bewusstsein für das Wesen und den Status dieser Wissenschaft schafft. Zusätzlich dienst eine methodologische Auseinandersetzung mit der Natur des Faches dazu, den weiteren Fortschritt und die Entwicklung der Disziplin zu gestalten. Ebenfalls im Hinblick auf das Thema dieser Arbeit ist ein Nutzen zu sehen, denn auf dem Hintergrund eines solchen Kontextes kann die Bedeutung der Quantenphysik für die Geodäsie auch von einem untergeordneten Verständnis heraus erfass werden. In diesem Sinne wird zur Einleitung das Thema "Geodätische Wissenschaft" erörtert, und es werden grundsätzliche Berührpunkte der Quantenphysik zur Geodäsie dargestellt. Nach der Einleitung folgt eine Zusammenstellung der quantenphysikalischen Grundlagen der Geodäsie, so wie sie sich heue darbieten, und im Anschluß daran wird die Nutzung quantenphysikalischer Phänomene für geodätische Anwendungen unterschiedlichster Art vorgestellt: Das Quantendynamometer ist in einem gewissen Sinne ein Universalinstrument, das für vielfältige Zwecke eingesetzt werden kann. Es kann als Inertiales-Naviagtions-System dienen und damit Drehbewegungen als auch Beschleunigungen messen. Des Weiteren gestatten es den Einsatz als Gravimeter oder Erdrotationssensor. Ebenfalls als Sensor zu Bestimmun der Erdrotation gilt das Quanteninterferometer, wobei die Möglichkeiten dieses Kreiselinstrumentes äußerst vielversprechend sind. Optimistische Abschätzungen erwarten im Hinblick auf die Erfassung der Erdrotation ω_E Genauigkeiten von 10^-8 ⋅ ω_E bis 10^-9 ⋅ ω_E so dass man den Genauigkeitsbereich der Erdrotationsbestimmung durch geodätische Langbasisinterferometrie erreichen würde. Zum Ende des Hauptteils der Arbeit werden der derzeitige Stand wie auch der fortschritt auf dem Gebiet der atomaren Zeitmessung behandelt. Die Quantenphysik mit ihren Implikationen hat Einfluss auf die Geodäsie genommen und wirkt auch weiterhin. So ist Absicht der vorliegenden Arbeit, der Quantenphysik in der Geodäsie einen Weg bereiten und sie für Theoretische Geodäsie zu thematisieren, denn mit der Atomphysik werden zukünftig ein weitreichendes Potential und umfangreiche Möglichkeiten verbunden sein. Dies gilt nicht nur für die Theoretische Geodäsie, sondern auch für die Experimentelle oder Praktische Geodäsie.

In 1880 HELMERT stated "Geodesy is the science of measuring and mapping the earth's surface". Many geodetic studies are introduced like this, and this quote is supposed to serve as an introduction for the present article as well. 120 years after Helmert's definition, geodesy shows a broad spectrum of tasks and activities, so that today the definition does not seem to apply to all fields of geodesy. But all of these geodetic branches have in common the reference to the earth. As far as that is concerned, on the one hand the quotation is still valid, on the other Helmert's definition often is a basis for academic discussions. Such a discussion or reflection of the characteristics of geodesy creates more knowledge about the nature and the status of this science. In addition, a methodological debate helps in terms of progress and development. In this sense, the article starts with a principal discussion about the geodetic science and further describes the essential links of quantum physics to geodesy. The main part presents the quantum physical foundations of geodesy as they currently appear. Based on this the use of different effects of quantum physics for geodetic purposes is shown: The Quantum Dynamometer is an all purpose device. It can be used as an Inertial-Navigation-System (INS), determining rotations and accelerations as well. It also serves as a gravimeter or as an earth rotation sensor. The Quantum-Interference Device can be used to determine earth rotation, too. The possibilities of this instrument are most promising. Optimistic taxations expect accuracies with respect to earth rotation of ω_E to 10^-9 ⋅ ω_E, so that the accuracy domain of Very Long Baseline Interferometry can be achieved. This description of applications finishes, dealing with the current state and progress concerning the measure of time by means of atomic clocks. There is a new generation of atomic clocks, the so called caesium fountains which are a clear improvement. Quantum physics with its implications has influenced geodesy and will do so in future. Aim of this article is to pave the way for quantum physics and to make it an issue for geodesy, because the atom physics provides a lot of opportunities and an enormous potential. This is valid for all parts of geodesy, the theoretical as well a the practical part which deals with the development of geodetic instruments.