Naturkonstanten: Alle Maßeinheiten wie das Kilogramm werden künftig über sie festgelegt

Naturkonstanten: Alle Maßeinheiten wie das Kilogramm werden künftig über sie festgelegt

  14 May 2019


Am 20. Mai 2019 wird das System der physikalischen Maßeinheiten (SI, Standard International) auf eine neue Grundlage gestellt. „Das ist die größte Umwälzung im Einheitensystem seit der Französischen Revolution“, kommentiert Physik-Nobelpreisträger Klaus von Klitzing. Das Kilogramm wird fortan nicht mehr durch das Urkilogramm definiert, und auch die Einheit der elektrischen Stromstärke, das Ampere (A), und das Temperaturmaß Kelvin (K) werden auf eine neue, solidere Grundlage gestellt.

Ausnahmslos alle Einheiten der Physik leiten sich dann von sieben Naturkonstanten ab. Weil Naturkonstanten, wie die Geschwindigkeit des Lichts oder die Ladung eines Elektrons, zeitlich und räumlich universell und absolut unveränderlich sind, eignen sie sich perfekt als Grundlage für präzise definierte Maßeinheiten – vorausgesetzt, die verwendeten Naturkonstanten lassen sich selber mit ausreichender Genauigkeit messen.

Seit 1889 gibt es das Urkilogramm

In früheren Jahrhunderten wurden Maßeinheiten regional unterschiedlich definiert, etwa durch an Kirchenmauern angebrachte „Eich-Ellen“ oder das Volumen von Taufbecken. Die Idee von universell gültigen „metrischen“ Einheiten für Längen und Gewichte (Massen) geht tatsächlich auf die Französische Revolution zurück.

In Paris wurde 1799 das Urmeter erschaffen, ein Lineal aus dem Edelmetall Platin. 1889 wurde es durch einen Platin-Iridium-Stab mit x-förmigem Querschnitt ersetzt. Im gleichen Jahr wurde das Urkilogramm erschaffen: ein 39 Millimeter hoher Metallzylinder mit einem Durchmesser von ebenfalls 39 Millimetern. Er besteht aus 90 Prozent Platin und zehn Prozent Iridium.

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In den Urzeiten der Einheiten wurde ein Meter als ein Bruchteil des Erdumfangs festgelegt und daraus das Kilogramm als die Masse eines Kubikdezimeters Wassers abgeleitet. Das war global gedacht, doch in der Praxis schwierig reproduzierbar. Deshalb waren die in Paris hinterlegten Normale, der Urmeter und das Urkilogramm, so wichtig.

Das Urkilogramm wird bis heute in einem Tresor des Internationalen Büros für Maß und Gewicht in Sèvres bei Paris unter einer Art Käseglocke im Vakuum aufbewahrt. Dummerweise ist der Wert des Urkilogramms nicht konstant. Der Zylinder ist im Laufe der Zeit immer leichter geworden – mit einer Rate von bis zu einem halben Mikrogramm pro Jahr.

Das ist im Zeitalter der Hochtechnologien, wo es oft auf die präzise Messung winzigster Massen ankommt, ein unhaltbarer Zustand. Ähnlich problematisch ist die Definition der Temperatureinheit, die auf einer ganz bestimmten Isotopenmischung von Wasser basiert.

Die Meter-Definition wurde bereits 1983 auf eine solide Grundlage gestellt. Seitdem ist ein Meter definiert als die Länge der Strecke, die das Licht im Vakuum in einer 1/299.792.458 Sekunde zurücklegt. Auf der 23. Generalkonferenz für Maß und Gewicht wurde dann 2007 das Ziel formuliert, auch für Kilogramm, Ampere, Kelvin und Mol eine Neudefinition auf Basis von Naturkonstanten anzustreben. Die Metrologieinstitute aller Länder, hierzulande ist das die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig (PTB), wurden aufgefordert, Vorschläge zu machen und die dazu erforderlichen Experimente durchzuführen.

Für die Neudefinition des Kilogramms gab es zunächst weltweit eine Reihe von Ideen, von denen sich die meisten aber schnell als nicht praktikabel herausstellten. Zwei Vorschläge lieferten sich jedoch jahrelang ein Kopf-an-Kopf-Rennen.

Da gab es zum einen ein Konzept, das von Großbritannien, Frankreich, den USA und Kanada favorisiert wurde und auf dem Einsatz einer sogenannten Wattwaage basiert. Physiker der PTB verfolgten indes die Idee, die Einheit der Masse auf das Zählen von Atomen in einer hochreinen Siliziumkugel zurückzuführen. Die zuvor gesetzten Zielmarken bei den Messunsicherheiten und der Reproduzierbarkeit wurden erreicht.

Im November 2018 beschlossen die globalen Hüter der SI-Einheiten, das Kilogramm auf diese Weise neu zu definieren. In Vorbereitung auf die jetzt kommende Umstellung auf das neue Einheitensystem wurden die auserwählten sieben Naturkonstanten von den metrologischen Instituten so präzise vermessen wie es nach Stand der Technik nur möglich ist.

Im Alltag der Menschen ändert sich nichts

Die sieben Säulen des neues SI-Systems sind die Lichtgeschwindigkeit, die Ladung eines Elektrons und die Zahl der Teilchen in einem Mol – die sogenannte Avogadro-Konstante. Zudem die Planck-Konstante, die Boltzmann-Konstante, die Frequenz eines bestimmten Hyperfeinstrukturübergangs in Cäsium-133-Atomen und ein fotometrisches Strahlungsäquivalent.

So bedeutsam der Umbau des Einheitensystems für die Wissenschaft ist, so wenig wird der Bürger in seinem Alltag davon spüren. Es gibt keine Sprünge. Beim Metzger werden 300 Gramm Wurst auch künftig schlicht 300 Gramm Wurst sein. Es bleibt im Prinzip alles beim Alten, außer dass sich neue Spielräume für höhere Genauigkeiten bei Präzisionsmessungen ergeben.

Das ist in vielfältiger Weise sehr relevant. Profitieren werden unter anderem die Entwickler von Quantentechnologien oder neuen Diagnosesystemen in der Medizin. Aber auch in der Energie- und der Klimaforschung werden genaueren Analysemethoden möglich.

Einziger Nachteil: die höhere Abstraktion

Und – die Genauigkeit von Messungen kann künftig automatisch immer besser werden. In dem Maße, in dem der technische Fortschritt eine genauere Bestimmung der Naturkonstanten ermöglicht, werden auch die daraus abgeleiteten Maßeinheiten immer präziser.

Ein Nachteil der Neuregulierung ist möglicherweise der höhere Grad an Abstraktion. Dass ein in Paris aufbewahrter Zylinder die Mutter aller Kilogramme ist, ließ sich einfach kommunizieren. Künftig werden Schüler auch noch die Avogadro-Konstante verstehen müssen, wenn sie wissen wollen, wie ein Kilogramm definiert ist.

Professor Dieter Meschede, der Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, kommentiert die Neuordnung mit den Worten: „Ein universelles Einheitensystem ist vieles in einem: eine diplomatische Meisterleistung, ein ästhetisches Gebilde und ein technologisches Versprechen.“



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