Kilogramm neu definiert: Das Maß der Dinge
Physikalische Einheit neu definiert Das Urkilogramm hat ausgedient
Der Weg zum Internationalen Büro für Maß und Gewicht ist nur schwer zu finden. Kein Schild an der Zufahrt im Pariser Vorort Sèvres verrät, dass hier ein quasi unersetzliches Unikat aufbewahrt wird - nur wenige Hundert Meter vom Ufer der Seine.
In dem historischen Gebäude steht ein Tresor, in dem der nur wenige Zentimeter große Zylinder aus Platin und Iridium lagert. Dieses sogenannte Urkilogramm definiert die Maßeinheit der Masse - und zwar schon seit dem Jahr 1889.
Doch so richtig glücklich sind Physiker über den von mehreren Glasglocken geschützten Metallzylinder nicht. Weil er oder seine über Messinstitute weltweit verteilten Kopien beschädigt werden oder gar verloren gehen könnten. Und weil es erstaunliche Differenzen zwischen den Kilogramm-Prototypen gibt, die keiner so recht erklären kann.
Kilogramm neu definiert: Das Maß der Dinge
Forscher hatten nämlich festgestellt, dass der Pariser Platinzylinder auf rätselhafte Weise schrumpft. Bei regelmäßigen Vergleichsmessungen von Urkilogramm und seinen Kopien schien das Urkilogramm immer leichter zu werden - womöglich hervorgerufen durch die Reinigungsprozedur.
All diese Probleme soll eine neue Definition des Kilogramms lösen, die gerade 60 Staaten auf einer Konferenz in Versailles beschlossen haben. Sie kommt ganz ohne das fast 130 Jahre alte Unikat aus und beruht allein auf einer Naturkonstante - dem sogenannten Planckschen Wirkungsquantum , auch Planckkonstante genannt. Diese entspricht dem Verhältnis von Energie und Frequenz eines Photons.
Neu definiert haben die Metrologen, wie sich die Experten fürs Messen selbst nennen, auch drei weitere Einheiten:
- Ampere (Stromstärke),
- Kelvin (Temperatur) und
- Mol (Stoffmenge).
Auch diese drei neuen Festlegungen fußen auf Naturkonstanten, und zwar der Elementarladung eines Elektrons, der Boltzmann- sowie der Avogadro-Konstante.
Das klingt alles sehr technisch - und das ist es auch. Doch mit der Reform sorgen die Unterzeichnerstaaten der sogenannten Internationalen Meterkonvention für neue Gewissheiten im System der sieben SI-Einheiten.
Was ein Kilogramm ist, wird künftig als Ergebnis eines Experiments festgelegt, das entsprechend ausgerüstete Institute jederzeit durchführen können. Vorbild dafür ist die Einheit Sekunde, die schon seit den Sechzigerjahren über einen ganz bestimmten Versuchsaufbau bestimmt werden kann.
Keine Frage: Wenn sämtliche Uhren auf der Erde plötzlich verschwunden wären, gäbe es ein großes Durcheinander auf Flughäfen und Bahnhöfen. Fahrpläne wären Makulatur. Niemand könnte mehr genau sagen, wie lang eine Stunde, eine Minute oder eine Sekunde ist.
Urmeter bereits abgelöst
Aber das Chaos würde nur von kurzer Dauer sein. Denn eine Sekunde ist definiert als die Zeitspanne, in der die Strahlung eines angeregten Cäsium-Atoms 9.192.631.770-mal schwingt. Der Apparat, in dem dies geschieht, heißt Atomuhr. Man baut also eine solche Atomuhr - und weiß, wie lang eine Sekunde ist.
Der Meter wird übrigens ebenfalls durch eine Naturkonstante bestimmt - die Lichtgeschwindigkeit. Man erhält einen Meter, wenn man jene Strecke durch 299.792.458 teilt, die Licht im Vakuum in einer Sekunde zurücklegt. Bis zum Jahr 1983 war auch diese Einheit noch über ein Metallstück definiert - das sogenannte Urmeter.
Mit der nun in Paris beschlossenen Reform sind alle sieben Maßeinheiten des SI-Systems an Naturkonstanten gekoppelt. Wenn man davon ausgeht, dass sich diese Konstanten nicht ändern und auch an jedem Punkt im Weltall genauso groß sind wie auf der Erde, sind die Einheiten damit universell festgelegt.
"Wir erleben eine Art Demokratisierungsprozess der physikalischen Einheiten", sagt Jens Simon von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, die in Deutschland über Sekunde, Kilogramm und auch die Normalzeit wacht. Es gebe künftig nicht mehr nur den einen Prototypen, der als Maß aller Dinge gelte. Vielmehr könne sich jeder mit dem entsprechenden Equipment ein Urkilogramm quasi selbst bauen, so Simon.
Atome zählen in Braunschweig
In den Erläuterungen zur Neudefinition des Kilogramms werden zwei Wege beschrieben, auf denen dies geschehen kann. Entweder konstruiert man eine sogenannte Wattwaage. Diese hält eine Masse mit einer elektromagnetischen Kraft quasi in der Schwebe - so wie man das von einem starken Magneten und einem kleinen Magneten kennt. Auf eine solche Waage legen die Forscher zum Beispiel eine Kopie des Urkilogramms und justieren den Stromfluss so, bis das Kilogramm schwebt. Eine solche Apparatur haben Physiker am National Institute of Standards and Technology (NIST) gebaut, die in den USA für Standardisierung zuständige Behörde.
Am deutschen Pendant PTB in Braunschweig haben Physiker eine andere Methode entwickelt. Aus hochreinem Silizium haben sie Kugeln geschnitten, die etwa so groß wie ein Tennisball sind. Dann haben sie gezählt, aus wie vielen Abermilliarden Silizium-28-Atomen diese Kugeln bestehen. Ein Kilogramm entspricht dann der Masse, die 2,15 mal 1025 Siliziumatome auf die Waage bringen.
Mit beiden Experimenten können Forscher aus Messungen und Zählungen die Planckkonstante bestimmen - und so indirekt auch das Kilogramm, weil es in der Konstante als Einheit mit drinsteckt.
Kompromiss gefragt
Absolut perfekt ist die Neudefinition des Kilogramms freilich noch nicht. Denn bei den Experimenten mit Watt-Waagen und den Braunschweiger Siliziumkugeln kamen unterschiedliche Ergebnisse für die Planckkonstante heraus. "Die Differenz liegt bei der achten Stelle hinterm Komma", sagt PTB-Sprecher Simon. Das spiele im Alltag natürlich keine Rolle, für die an größtmöglicher Präzision interessierten Metrologen jedoch schon. "Wir müssen jedoch auch berücksichtigen, dass wir hier an der Grenze von dem messen, was möglich ist", sagt Simon.
Wie geht es nun weiter? Damit es keinen Streit darum gibt, was genau ein Kilogramm ist, wollen die Metrologen einen Kompromiss aus den unterschiedlichen Messergebnissen finden, den sogenannten Consensus Value. Dieser könnte zum Beispiel einfach der Mittelwert der Messungen sein - aber entschieden ist in dieser Sache noch nichts.
Der Tresor für das Urkilogramm wird in jedem Fall noch ein paar Monate gebraucht. Denn erst am 20. Mai 2019 treten die neuen Festlegungen für die SI-Einheiten in Kraft.
Zusammenfassung: Die Staaten der Meterkonvention haben eine grundlegende Reform der SI-Einheiten beschlossen. Das Kilogramm, Ampere (Stromstärke), Mol (chemische Stoffmenge) und Kelvin (Temperatur) werden neu definiert. Sie sind künftig über Naturkonstanten festgelegt. Das Urkilogramm hat damit ausgedient.
