Dem Urkilogramm gehts an den Kragen

Seit 1879 definiert ein kleiner Metallzylinder die Einheit von Gewicht. Künftig soll eine Naturkonstante Mass geben. Was bedeutet das für die Physik?

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Die Naturgesetze mögen gottgegeben sein. Die physikalischen Einheiten wie Kilogramm, Meter oder Kelvin sind es nicht. Sie sind das Resultat einer langen, historischen Entwicklung. Nun jedoch sollen auch die Einheiten auf ein «gottgegebenes» Fundamente gestellt werden: auf Naturkonstanten wie die Lichtgeschwindigkeit.

Früher nutzten die Menschen beim Messen und Wägen überall zur Verfügung stehende Grössen wie Fuss oder Scheffel. Allerdings wichen die Definitionen regional voneinander ab. «Noch im 18. Jahrhundert herrschte bezüglich der Masseinheiten ein grosses Chaos», sagt Jürg Niederhauser, Leiter Stab des Eidgenössischen Instituts für Metrologie (Metas) in Wabern bei Bern. «Jede Gegend hatte ihre eigenen Einheiten.»

Ein Meilenstein war der im Mai 1875 beschlossene «Metervertrag», mit dem 17 Länder, darunter die Schweiz, einen wichtigen Schritt zur Vereinheitlichung machten. Der Bundesrat bedauerte zwar, dass die internationalen Hüter der Masse und Gewichte ihren Sitz in Frankreich nahmen anstatt in der Schweiz. Am 10. Juni 1875 teilte er aber mit, die Schweiz könne dennoch die Ehre beanspruchen, «die Initiative ergriffen und kräftigst dazu beigetragen zu haben, dass ein Werk zustande gekommen ist, welches vermittels der Einheit und Genauigkeit, der Masse und Gewichte die Entwicklung der Wissenschaften, der Künste und des Handels begünstigt und dadurch den Interessen der zivilisierten Welt dienen wird».

Technische Fortschritte führen zu Neudefinition der Einheiten

Um der verwirrenden Vielfalt mittelalterlicher Längenmasse Herr zu werden, suchte man zum Beispiel ein Bezugsmass in der Natur: Zur Zeit der Französischen Revolution wurde der Meter als 40-millionster Teil des durch Paris laufenden Erdmeridians definiert. 1875 ersetzte man diese Definition durch einen «Urmeter» aus Platin und 1889 diesen durch einen präziseren aus Platin-Iridium. Allerdings ist ein Artefakt immer gewissen Schwankungen unterworfen. 1960 kam daher eine Art «Lineal aus Licht» zum Einsatz: Die Generalkonferenz für Mass und Gewicht definierte den Meter als Vielfaches der Wellenlänge eines bestimmten, von Krypton ausgestrahlten Lichts. Das verzehnfachte die Genauigkeit der Definition gegenüber dem Urmeter. 23 Jahre später ermöglichte der Laser eine noch 100-mal präzisere Definition.

Nun steht der nächste Meilenstein bevor. Keine Artefakte wie das Urkilogramm und keine physikalischen Zustände wie die Stärke eines elektrischen Stroms, der zwischen gewissen Leiterplatten fliesst, sollen die Einheiten definieren. Mitte November möchten die Metrologen an der 26. Generalkonferenz für Mass und Gewicht in Versailles die Einheiten, soweit es geht, auf das stabilste Fundament stellen, das die Physik zu bieten hat: Sieben Naturkonstanten sollen künftig die sieben Basiseinheiten der Physik vorgeben. «Allerdings muss man einschränken, dass nicht alle sieben Naturkonstanten die gleich fundamentale Bedeutung haben», sagt Beat Jeckelmann, wissenschaftlicher Leiter des Metas.

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Ausgangspunkt für die Neudefinitionen ist die Sekunde, die unverändert übernommen wird und streng genommen (noch) nicht auf eine Naturkonstante zurückgeht. Die Sekunde ist so definiert, dass von einem Cäsiumatom in einem bestimmten Zustand abgestrahltes Licht eine Schwingungsfrequenz von exakt 9 192 631 770 Hertz besitzt. Mithilfe dieser Definition der Sekunde sowie mit der Lichtgeschwindigkeit, einer Naturkon­stanten, wird der Meter definiert. Auch das geschieht im Grunde wie gehabt.

Die erste wirkliche Neuerung betrifft das Kilogramm. Bisher wurde es durch das Urkilogramm definiert, ein Metallzylinder, 39 Millimeter hoch, 39 Millimeter breit. Er ruht in einem Safe im Internationalen Büro für Mass und Gewicht bei Paris. Der Londoner Goldschmied Johnson Matthey hat den Zylinder 1879 aus Platin und Iridium gegossen und poliert. «Der Nachteil eines Artefakts ist, dass man die Einheit nur an einem Ort verfügbar hat und die Einheit zeitlich nicht stabil ist», sagt Jeckelmann. So scheinen die Kopien des Urkilogramms im Mittel pro Jahr 0,0000005 Gramm an Gewicht zuzulegen. Niemand weiss, warum. Klar ist nur: Das wird der Anforderung an heutige Präzisions­messungen nicht gerecht.

Die Planck-Konstante löst das Urkilogramm ab

Neu wird das Kilogramm über die Planck-Konstante definiert. Sie verknüpft Energie und Schwingungsfrequenz eines Lichtteilchens. «Zusammen mit der Längeneinheit und der Zeiteinheit kann man aus der Planck-Konstante eine Einheit für die Masse ableiten», sagt Jeckelmann. «Dazu braucht man allerdings geeignete Experimente.» Diese erreichten Ende 2017 die nötige Genauigkeit. Nun steht der Ablösung des Ur­kilogramms durch die Planck-­Konstante nichts mehr im Weg. Entsprechend wurden auch die restlichen Einheiten auf Natur­konstanten zurückgeführt.

Für die Waage im Bad oder eine künftige Umstellung von Winter- auf Sommerzeit ändert sich natürlich nichts. Auch für die Physik hat die Neudefinition der Einheiten nahezu keine direkten Folgen. «Aber auf längere Sicht gilt: Je besser man etwas messen kann, desto besser kann man etwas konstruieren», sagt Jeckelmann. «Und je bessere Technologien wir haben, desto präziser können wir künftig die Einheiten realisieren, ohne dass wir diese neu definieren müssen.» Ein gutes Beispiel sei das Navigationssystem GPS. Dank der immer genaueren Messung der Sekunde wurde das GPS überhaupt erst möglich. «So schafft das neue Einheitensystem die Grundlage für künftige geniale Entwicklungen.»

*Dieser Artikel erschien erstmals am 28. Oktober 2018 in der SonntagsZeitung.

(SonntagsZeitung)

Erstellt: 30.10.2018, 16:03 Uhr

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