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Die Neuvermessung der Welt#

Das Internationale Einheitensystem wird umgeschrieben. Kilogramm, Kelvin und Co. sollen genauer werden.#


Mit freundlicher Genehmigung übernommen aus der Wiener Zeitung, 16. November 2018

Von

Alexandra Grass


Silizium-Einkristall
Ab Herbst 2018 wird aller Wahrscheinlichkeit nach die Einheit Kilogramm nicht mehr auf Basis des "Urkilogramms" in einem Pariser Safe, sondern auf Basis einer Naturkonstante definiert sein. Solche Kugeln aus Silizium-Einkristall dienen dann dazu, die Einheit "weiterzugeben", beispielsweise bei der Überprüfung von Waagen.
Foto: © Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Wer bringt es schon zustande, sein Gewicht über Monate oder gar über Jahre hinweg konstant zu halten? Nicht einmal dem Ur-Kilo ist das möglich - jenem kleinen Platinzylinder in einem Safe im Pariser Vorort Sèvres, der seit mittlerweile 129 Jahren die Welt der Maßeinheiten in schwer einflussreicher Rolle mitbestimmt.

Sehr bald wird man seinen Wert allerdings auf den reinen Kurswert des Metalls reduzieren können. Auf einer Generalkonferenz für Maß und Gewicht wollen Vertreter von 60 Staaten heute, Freitag, nämlich über ein neues Einheitensystem abstimmen. Die Veränderungen werden nicht nur das Kilogramm, sondern auch die Stromstärke Ampere, die Stoffmenge Mol und die Temperatur Kelvin treffen. Auf der Wurstwaage im Supermarkt oder der Körperwaage im eigenen Bad wird sich diese Neudefinition aber nicht bemerkbar machen. Auch nicht, wenn wir unser Mobiltelefon neu aufladen.

Die für den Alltag unverzichtbaren physikalischen Einheiten sollen auf die stabilste nur denkbare Basis gestellt werden - jene der Naturkonstanten. Die Lehrbücher müssen umgeschrieben werden. Und Schülerfragen werden künftig wohl nicht mehr so einfach zu beantworten sein. "Was ist ein Kilogramm?" Ur-Kilo und Paris fallen als Inputgeber auf jeden Fall aus.

Dagegen wird von Lichtgeschwindigkeit ebenso die Rede sein wie von der Ladung eines Elektrons und dem sogenannten Planck’schen Wirkungsquantum - eine Größe aus der Welt der Quantenphysik, die die kleinstmögliche Energieeinheit beschreibt. Ein nahezu spanisches Dorf abseits der Welt der Physik-Freaks. Dort wird es wohl allerdings die Herzen höher schlagen lassen, denn endlich ist für Stabilität gesorgt. Kilogramm (kg) - Masse, Meter (m) - Länge, Sekunde (s) - Zeit, Ampere (A) - Stromstärke, Kelvin (K) - Temperatur, Mol (mol) - Stoffmenge, Candela (cd) - Lichtstärke.

Kilogramm (kg) - Masse, Meter (m) - Länge, Sekunde (s) - Zeit, Ampere (A) - Stromstärke, Kelvin (K) - Temperatur, Mol (mol) - Stoffmenge, Candela (cd) - Lichtstärke.© WZ-Montage: Denis Tabler/stock.adobe.com

Naturkonstanten als Garant#

Die ist nötig, denn immerhin hat das Ur-Kilo in den vergangenen 100 Jahren um 50 millionstel Gramm abgenommen. Das scheint nicht viel. Doch in einer Mess-Welt, die weder beim Nanometer (millionstel Millimeter) noch bei der Femtosekunde (Millionstel einer milliardstel Sekunde) aufhört, sind jegliche Schwankungen verpönt. Daher benötigen all diese Einheiten eine neue, verlässliche Basis. Die Naturkonstanten sind der Garant dafür. Und sie gelten nicht nur auf unserer Erde, sondern einfach überall und immer - im Universum und für alle Zeiten.

Doch wie konnte es überhaupt zu Gewichtsveränderungen beim Ur-Kilo kommen? Obwohl im Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM - Bureau International des Poids et Mesures) in Sévres unter mehreren Glashauben unter Quarantäne gestellt, muss das Metall von Zeit zu Zeit gereinigt werden. Dabei würden sich trotz akribischer Handhabung dünne Schichten von Kohlenwasserstoffen auf der Oberfläche absetzen, erklären die Experten. Für den Gewichtsverlust wiederum können Gaseinschlüsse im Metall sorgen, die nach und nach entweichen.

Dieses Schicksal teilt das Pariser Original mit vielen weiteren Kopien. Rund 100 Staaten besitzen ihr eigenes, nationales Kilo - so auch Österreich. Dieses wird im Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen in Wien aufbewahrt, dem nationalen Metrologieinstitut. Auch dort zeigten sich über die Jahre hinweg Spuren gewichtiger Veränderungen.

Begonnen hatte alles im Jahr 1875 bei der internationalen Meterkonvention. Am 20. Mai unterzeichneten 17 Staaten einen Vertrag - "vom Wunsche geleitet, die internationale Einigung und die Vervollkommnung des metrischen Systems zu sichern." Mit dem Metervertrag war auch die Übernahme des Urmeters und des Urkilogramms als Maßeinheit beschlossen worden. Im Jahr 1960 war das Internationale Einheitensystem IS (Système International d’Unités) eingeführt worden. Seit dem Jahr 2000 wird jährlich am 20. Mai, dem Tag des Messens, der Vertragsunterzeichnung gedacht.

Alle vier Jahre kommt die metrologische Welt zu einem globalen Familientreffen zusammen, um bei einer Generalkonferenz für Maß und Gewicht die Leitplanken für die kommenden Jahre aufzustellen. Alle Änderungen am Einheitensystem müssen dabei nicht nur wissenschaftlich fundiert, sondern auch wissenschaftspolitisch konsensfähig sein. Denn die Einheiten, in denen wir messen wollen, sind ja nicht nur Elemente eines kleinen Wissenschaftszirkels, sondern sind vielmehr ein wesentliches Werkzeug jedes Handelns und Wirtschaftens, heißt es seitens der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Bereits auf mehreren Generalkonferenzen in der Vergangenheit wurden die Voraussetzungen für und die Forderungen an ein neues SI formuliert.

Um das Kilogramm auf Basis von Naturkonstanten neu zu definieren, wurde im Wesentlichen auf zwei Experimente zurückgegriffen: die Silizium-Kugel (Avogadro-Experiment) und die Watt-Waage. Künftig könnte demnach eine bestimmte Zahl von Siliziumatomen das Kilogramm festlegen. Dazu dienen Kugeln aus hochreinem Silizium, deren Masse und Volumen möglichst genau bestimmbar sein müssen. Die Atome sitzen im Kristallgitter in exakt gleichem Abstand voneinander. Dieser muss gemessen werden, um herauszufinden, wie viele Atome ein Kilogramm ergeben.

Die Watt-Waage macht es möglich, das Kilogramm über elektrische Einheiten mit einer Naturkonstante, nämlich der Planck Konstante h, in Beziehung zu setzen. Diese Konstante war vom deutschen Physiker Max Planck um 1900 formuliert worden, bildet die Grundlage der Quantenphysik und zählt zu den wichtigsten Naturgesetzen im Universum. Damit lässt sich bestimmen, wie viel elektrische Kraft nötig ist, um eine bestimmte Masse aufzuwiegen.

"Welches der Systeme bisher die präziseren Messwerte geliefert hat, lässt sich nicht sagen", betonte Jens Simon vom PTB in Braunschweig am Donnerstag. So wurden im letzten Jahr insgesamt vier Messwerte von Watt-Waagen und vier Messwerte von verschiedenen Siliziumkugeln publiziert. "Ziel war, dass wir beim Messen bis zur achten Stelle hinter dem Komma sehen. Das ist uns gelungen." Die Vorschriften hatten vorgesehen, dass die künftig das Kilogramm bestimmende Planck Konstante h von zwei unabhängigen Experimenten definiert werden musste.

Welche Methode das Ur-Kilogramm ablösen wird, wird bei der Konferenz beschlossen. Simon geht aber davon aus, dass sowohl die Watt-Waage als auch die Avogadro-Methode mit den Siliziumkugeln das Ur-Kilo gemeinsam ersetzen werden. Dann könnten die Staaten wählen, nach welcher Methode sie künftig das Gewicht bestimmen.

Im alltäglichen Leben werden die Änderungen auf jeden Fall unbemerkt bleiben. Die Waage im Supermarkt wird nach der Neudefinition genauso jedes Wurstblatt wiegen wie bisher. Weder das Kleine Blutbild im medizinischen Labor noch das große Koordinatenmessgerät in der Industrie werden neue Werte liefern, beruhigt das PTB. Auch die Stromrechnung wird sich, zumindest deswegen, nicht ändern. Und auf der Körperwaage im Bad bleibt jedes einzelne Kilogramm zum Leidwesen der Benutzer gleich schwer.

Für alle Zeiten#

Kilogramm, Kelvin und Co. werden also mit dem heutigen Tag einen stabilen und zukunftssicheren Boden unter den Füßen bekommen. Für alle exportorientierten Staaten liefert das Braunschweiger PTB mit einem Augenzwinkern zudem gute Zukunftsaussichten: "Einem regen Handel mit allen Marsianern et al. steht nun nichts mehr im Wege." Denn die Naturkonstanten gelten, wie schon erwähnt, immerhin auf der Erde genauso wie im gesamten Universum - und das für alle Zeiten.

Die Neuausrichtung des Einheitensystems IS , die am 20. Mai 2019, dem Weltmetrologietag, endgültig in Kraft treten soll, bedeutet das Ende der Abhängigkeit von Artefakten, betont BIPM-Direktor Martin Milton in einem Kommentar. Er spricht dabei von einem historischen Meilenstein, den die metrologische Welt nun umzusetzen in der Lage ist. Die Wissenschafter auf dem gesamten Globus werden diesen fundamentalen Wandel in der Welt der Physik wohl auch gebührend zu feiern wissen.

Wiener Zeitung, 16. November 2018