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Das Ur-Kilogramm nimmt ab#

Da die Maßeinheit immer leichter wird, soll eine neue, weltweit gültige Definition des Kilogramms verabschiedet werden. Das neue Ur-Kilo soll nicht aus Metall, sondern aus Siliziumatomen bestehen.#


Von der Wiener Zeitung (Dienstag, 10. November 2015) freundlicherweise zur Verfügung gestellt.


Arnold Nicolaus setzt auf Kugeln aus Silizium, um das Kilo zu definieren.
Arnold Nicolaus setzt auf Kugeln aus Silizium, um das Kilo zu definieren.© apa/science/dpa

Paris/Braunschweig. Die Herren von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig haben sich Zeit genommen. Sie ahnen wohl, dass der Laie an diesem Thema zu kauen hat. Es geht um das Kilogramm, eine der sieben sogenannten Basiseinheiten neben Sekunde, Meter, Ampere, Kelvin, Mol (Stoffmenge) und Candela (Lichtstärke), die die Welt messbar machen.

Das System ist im Grunde einfach, jedes Kind lernt schnell: Ein Meter ist 100 Zentimeter lang, eine Minute hat 60 Sekunden. Und es ist genau festgelegt, wie schwer ein Kilogramm ist. Trotzdem suchen Physiker nach neuen Definitionen für einige dieser Einheiten. Denn ganz so stabil, wie das System scheint, ist es nicht.

Nur auf den ersten Blick scheint sich die Frage nach der Masse des Kilogramms zu erübrigen: Ein Kilo Mehl ist ein Kilo Mehl. Punkt. Leider ist es aber ein wenig komplizierter. Schließlich ist das Kilo eine willkürlich gewählte Größe - die Welt würde nicht aus den Fugen gehen, wenn es etwas leichter oder schwerer wäre. Tatsächlich aber steht, streng gesichert, in Paris das sogenannte Ur-Kilogramm - ein wenige Zentimeter großes Metallstück. Alle Waagen sind auf dieses Unikat kalibriert. Es wurde 1889 bei der 1. Generalkonferenz für Maß und Gewicht in Paris festgelegt. "Man braucht ja eine Vergleichseinheit", sagt der Physikhistoriker Dieter Hoffmann vom Max-Planck-Institut für Wissenschaftsgeschichte in Berlin. Dabei ist es durchaus gewagt, ein nahezu weltweit geltendes Gewichtssystem auf einem einzelnen Stück Metall beruhen zu lassen. "Stellen Sie sich vor, wenn das mal kaputtgeht", sagt der Physiker Arnold Nicolaus von der PTB. Neben diesem Risiko gibt es ein weiteres Problem: Das Ur-Kilogramm wird tendenziell immer leichter.

Dass das passiert, ist offenbar schlichtweg Pech. Ende des 19. Jahrhunderts wurden mehrere Ur-Kilos hergestellt und eines davon zum Maßstab erhoben. Einige der Ur-Kilo-Vorläufer seien stabil. Doch das auserwählte Stück Metall verliert aus unerfindlichen Gründen Masse - 50 Millionstel Gramm in 100 Jahren.

Boule-Kugeln für Millionen#

Und was ist dabei, wenn sich ein Stück Metall in einem Pariser Tresor verändert? Da alle Gewichte vom Ur-Kilogramm abhängen, werden sie langsam schwerer. Die Waagen zeigen allmählich nicht mehr korrekt das Gewicht an. Sie müssen in regelmäßigen Abständen neu auf das schwindsüchtige Ur-Kilogramm kalibriert werden.

Spätestens 2018 soll daher Schluss sein mit dem Pariser Ur-Kilo als Standard. Dann soll auf der 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht eine neue, weltweit gültige Definition des Kilogramms verabschiedet werden. Schon jetzt steht fest: Künftig wird die Gewichtseinheit nicht mehr an einem einzelnen Gegenstand hängen.

Aber wie kann das gehen? Physiker Nicolaus ist maßgeblich an den Vorbereitungen für die Neudefinition beteiligt. In einem exakt temperierten Raum ist ein komplexes Experiment aufgebaut, in dessen Zentrum spiegelnde Kugeln aus Silizium stehen, die an ein Boule-Spiel erinnern. Die wertvollste kostet eine Million Euro. Die Forscher der PTB können solche Kugeln präzise herstellen und vermessen. Sie können errechnen, aus wie vielen Siliziumatomen eine Kugel besteht. Davon lässt sich ableiten, wie schwer ein einzelnes Atom ist. Diese Masse wird zu einem bestimmten Zeitpunkt - durch die Schwankungen des Ur-Kilogramms ändert sie sich ständig - in Stein gemeißelt. Im Umkehrschluss ist damit bekannt, wie viele Siliziumatome ein Kilo hat. Vereinfacht gesagt ist dadurch das Kilogramm universell festgelegt. In den kommenden Monaten sollen in Braunschweig zwei besonders reine Siliziumkugeln vermessen werden. Jedes gut ausgerüstete Labor mit dem nötigen Wissen könnte sich dann ein allgemeingültiges Kilogramm selbst herstellen. Mit der Neudefinition verschwindet die Abhängigkeit vom nicht ganz stabilen Pariser Vorbild.

Probleme mit der Stabilität gibt es auch bei anderen Basiseinheiten. Beim Meter ist man schon vor Jahrzehnten zu einem Ergebnis gekommen: Der Ur-Meter, eine Art Metallstab, wurde durch eine Definition ersetzt, die auf der Lichtgeschwindigkeit beruht.

Wiener Zeitung, Dienstag, 10. November 2015