Berühren verboten: Das neue Kilogramm hat perfekte Rundungen

Aus Braunschweig berichtet

Was genau ist ein Kilogramm? Ein Liter Wasser? Vier Stück Butter? Braunschweiger Physiker wollen die Frage jetzt neu beantworten: Sie zählen Tausende Trilliarden Atome einer perfekten Siliziumkugel - auf acht Stellen genau.

Heute ist ein besonderer Tag in Braunschweig. Vor ein paar Stunden erst sind zwei präzise geschliffene, hochreine Siliziumkugeln aus Australien in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) eingetroffen. Ihre Rundungen sind so perfekt wie bei keiner anderen von Menschen je hergestellten Kugel. Bei zehn Zentimetern Durchmesser beträgt die Abweichung von der idealen Kugel höchstens 30 Nanometer - das sind 30 Millionstel Millimeter. Umgerechnet auf die Erdkugel entspricht dies zwei Metern Höhenunterschied.

Peter Becker steht im Labor neben dem Tisch, auf dem die Kugeln liegen. Sein Kollege Arnold Nicolaus hebt eine der Schutzhauben mit äußerster Vorsicht nach oben - anecken sollte er besser nicht. Jede noch so kleine Beschädigung der Kristalle könnte das Vorhaben der Forscher zunichte machen: eine neue Definition des Kilogramms. Bislang ist das in Sèvres bei Paris gelagerte Urkilogramm das Maß aller Dinge - ein Zylinder aus Platin und Iridium.

Weil die Kugeln gerade erst angekommen sind, haben die Physiker die strengen Laborvorschriften gelockert. "Normalerweise darf man den Raum nur mit Gesichtschutz, Kittel und Haarbedeckung betreten", sagt Becker. "Das ist wie bei einer OP." Doch weil die in Australien monatelang geschliffenen Kugeln nach dem Transport ohnehin erst noch aufwendig gesäubert werden müssen, darf man heute auch in Jeans und Sakko ins Labor. Staub aufwirbeln sollte man trotzdem nicht, erklärt Nicolaus. Fusseln seien an sich nicht das Problem. "Wenn Sie die Fussel aber wegblasen, können wir hinterher mit unseren Messgeräten eine Spur sehen." Also besser nicht pusten, husten oder niesen.

Ergebnis: 21,5 Quadrillionen Atome

Becker und seine Kollegen haben sich viel vorgenommen. In den nächsten Monaten wollen sie die Anzahl der Siliziumatome in beiden Kugeln zählen - auf acht Stellen genau. Dazu müssen sie die runden Kristalle genau vermessen und Verunreinigungen durch Fremdatome oder andere Siliziumisotope ermitteln - zu 99,99 Prozent bestehen die Kugeln aus Silizium-28. Auch eine dünne Oxidschicht auf der Oberfläche muss präzise vermessen und herausgerechnet werden - das Ergebnis wäre ansonsten viel zu ungenau.

Wenn alles gut geht, werden die Braunschweiger Forscher am Ende eine 25-stellige Zahl auf dem Zettel stehen haben, die mit 215 beginnt. 21,5 Quadrillionen Si-28-Atome sind ein Kilogramm. Die penible Atomzählerei ist keine Liebhaberei - sie soll ein Problem lösen, das Physiker weltweit umtreibt: Das Pariser Urkilogramm hat im Laufe der Jahre nämlich immer mehr Masse verloren, es ist im Vergleich zu später hergestellten Kopien immer leichter geworden. "Im täglichen Leben spielt das keine Rolle", sagt Becker. Doch eine definierte Größe, die sich im Laufe der Jahre auf unerklärliche Weise ändert - das gefällt Metrologen wie Becker gar nicht. So entstand die Idee des Avogadro-Projekts, das so heißt, weil dabei auch die Avogadro-Konstante bestimmt werden soll, also die Anzahl der Teilchen in der Stoffmenge ein Mol.

Simple Neudefinition des Kilogramms

Aber nicht nur wegen seines Schrumpfens ist das Urkilogramm ein Sorgenkind der Physiker - sondern auch aufgrund prinzipieller Erwägungen. Von den sieben Basiseinheiten des Système International d'Unités, kurz SI-System, ist das Kilogramm die einzige Größe, die nicht mit einer definierten Messung in einem Labor bestimmt werden kann. "Falls das Urkilogramm unbrauchbar werden sollte, weiß niemand mehr, was genau ein Kilogramm ist", sagt der Physik-Nobelpreisträger Klaus von Klitzing. Eine Sekunde hingegen ist als Vielfaches der Periodendauer einer bestimmten Strahlung definiert, ein Meter als Strecke, die Licht in einer bestimmten Zeit zurücklegt. Einzig für das Kilogramm existiert noch kein derartiges natürliches Verfahren.

Das Avogadro-Projekt soll eine Art Bauanleitung für einen Kilogramm liefern, wobei der Kristall nicht einmal genau ein Kilogramm wiegen muss. Aus der Zahl der Atome ergibt sich automatisch, welchen Anteil von einem Kilogramm ein Kristall darstellt. Von Klitzing hält das Avogadro-Projekt für "sehr attraktiv". "Für den Laien wäre eine Festlegung der Masse über die Masse einer festen Anzahl bestimmter Atom, die ja überall im Universum identisch ist, einfach nachvollziehbar", sagt er im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. Schon Maxwell habe diese Idee 1870 entwickelt. Doch der Physiker gibt einem anderen Experiment größere Chancen, das Urkilogramm zu beerben: der sogenannten Wattwaage. Das Kilogramm wird dabei über einen präzisen Vergleich von mechanischer und elektrischer Leistung hergeleitet.

Wattwaagen werden in mehreren Ländern parallel aufgebaut, unter anderem am amerikanischen PTB-Pendant, dem National Institute of Standards and Technology (NIST). Diese parallelen Experimente gewährleisteten "eine bessere und unabhängigere Reproduzierbarkeit", erklärt von Klitzing. Allerdings liefern die bereits in Betrieb genommenen Wattwaagen derzeit noch widersprüchliche Messergebnisse. "Da hat man womöglich noch nicht alles am Experiment richtig verstanden", stichelt der PTB-Forscher Nicolaus in Richtung seiner US-amerikanischen Kollegen.

Im Grunde sind jedoch beide Experimente zum Erfolg verdammt. "Wenn nicht beide Projekte zu gleichlautenden Ergebnissen mit der gleichen Genauigkeit kommen, dann wird die alte Kilogramm-Definition beibehalten", erklärt Nicolaus. Ende 2009 werden genaue Daten beider Experimente vorliegen. Vermutlich 2010 könnte das Comité International des Poids et Mesures (CIPM), hinter dem mehr als ein Dutzend metrologische Staatsinstituten wie das NIST oder die PTB stehen, eine Empfehlung für die Neudefinition des Kilogramms aussprechen. Auf der nächsten Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM), die 2011 stattfindet, könnte diese Definition beschlossen werden.

Beide Verfahren haben den Charme, das Kilogramm an Naturkonstanten zu koppeln: Bei der Wattwaage ist es das Planck'sche Wirkungsquantum, bei dem Braunschweiger Projekt die Avogadro-Konstante. "Die eine Konstante ist elektrisch, die andere mechanisch", sagt Nicolaus. "Insofern kämpfen gerade Elektriker gegen Mechaniker."

Diesen Artikel...
Aus Datenschutzgründen wird Ihre IP-Adresse nur dann gespeichert, wenn Sie angemeldeter und eingeloggter Facebook-Nutzer sind. Wenn Sie mehr zum Thema Datenschutz wissen wollen, klicken Sie auf das i.

Auf anderen Social Networks teilen

  • Xing
  • LinkedIn
  • Tumblr
  • studiVZ meinVZ schülerVZ
  • deli.cio.us
  • Digg
  • reddit
News verfolgen

HilfeLassen Sie sich mit kostenlosen Diensten auf dem Laufenden halten:

alles aus der Rubrik Wissenschaft
Twitter | RSS
alles aus der Rubrik Mensch
RSS

© SPIEGEL ONLINE 2008
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der SPIEGELnet GmbH

SPIEGEL ONLINE Schließen


  • Drucken Versenden
  • Nutzungsrechte Feedback
  • Zur Startseite
Fotostrecke
Maßeinheiten: Wettlauf ums Kilogramm