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Weltmetrologietag am 20. Mai

Countdown für das neue Kilogramm

| Autor/ Redakteur: Jens Simon* / Christian Lüttmann

Alles neu macht der Mai. Bald trifft dieser Spruch auch auf das Kilogramm und sechs weitere Maßeinheiten zu. Denn sie werden generalüberholt und sollen vom 20. Mai 2019 an über Naturkonstanten neu definiert werden. Metrologen haben dazu in den vergangenen Jahren und Jahrzehnten die Naturkonstanten mit größtmöglicher Präzision bestimmt. Mit den „neuen“ Standardgrößen ist zum Beispiel die Gewichtsabnahme des Ur-Kilogramms in Zukunft kein Problem mehr.

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Replik des Urkilogramms in Frankreich
Replik des Urkilogramms in Frankreich
(Bild: Prototype kilogram replica / Prototype kilogram replica / Japs 88 / CC BY-SA 3.0 / BY-SA 3.0)

Braunschweig – Noch ist der Wert des kleinen Platinzylinders in einem Safe im Pariser Vorort Sèvres unermesslich – sagt dieses Objekt doch der Welt seit mehr als hundert Jahren, was ein Kilogramm ist. Doch schon sehr bald wird sich sein Wert auf den reinen Kurswert von Platin reduzieren. Denn die Welt des präzisen Messens steht vor einem fundamentalen Wandel.

Die physikalischen Einheiten wie das Kilogramm für die Masse oder das Kelvin für die Temperatur werden auf die stabilste nur denkbare Basis gestellt, indem sie sich in Zukunft auf Naturkonstanten beziehen werden. Der diesjährige Weltmetrologietag 2018 (wie immer am 20. Mai) sollte diesen Wandel ins öffentliche Bewusstsein rücken. Genau ein Jahr später soll dann das neue Einheitensystem in Kraft treten. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist mit Forschung und Kommunikation an diesem fundamentalen Wandel entscheidend beteiligt. Als nationales Metrologieinstitut Deutschlands ist die PTB die oberste Instanz bei allen Fragen rund ums Messen.

Messtradition seit über 140 Jahren

Die Welt ist sich in vielen Dingen nicht einig. Aber in einer Angelegenheit durchaus: Alle wollen mit denselben Maßen messen. Ein Wunsch, der in einer globalisierten Welt auch wirtschaftlich mehr als vernünftig ist. Und so sind es an die 100 Staaten, die mittlerweile den entsprechenden Staatenvertrag, die sogenannte Meterkonvention, unterzeichnet haben oder als assoziierte Mitglieder dabei sind. Zusammen repräsentieren sie rund 98 % des weltweiten Wirtschaftsaufkommens. Dieser Vertrag hat eine sehr lange Tradition. Bereits am 20. Mai 1875 unterzeichneten ihn die ersten 17 Staaten, darunter Deutschland und das damalige Königreich Bayern.

Jeder Staat der Meterkonvention wurde mit den Maßen der Gemeinschaft versorgt, also zunächst dem Ur-Meter und dem Ur-Kilogramm bzw. hochgenauen Kopien dieser nahezu heiligen Objekte. Was zunächst wie ein Königsweg für die Harmonisierung des weltweiten Messens erschien, entpuppte sich allerdings im Laufe der Zeit als holpriger Pfad. Denn alle (großen) Dinge dieser Welt verändern sich, so auch die Maßverkörperungen wie der Kilogrammzylinder. Deutlich wird das allerdings nur, wenn man sehr genau hinschaut.

Die Retter der Standardeinheiten: Naturkonstanten

Wenn jemand das genaue Hinschauen und das genaue Messen beherrscht, dann sind es die Metrologen. Und so entschlossen sich die Staaten der Meterkonvention schon vor vielen Jahren, die Einheiten auf ein festeres Fundament zu stellen. Denn nicht nur das Kilogramm war und ist von dieser Instabilität betroffen, sondern auch die Einheiten für die Temperatur (das Kelvin) und für die Stromstärke (das Ampere). Das Kelvin hängt bisher von einer ganz genauen Isotopenzusammensetzung des verwendeten Wassers ab, und das Ampere bezieht sich auf eine sehr idealisierte Definition zweier unendlich langer Leiter.

All diese Einheiten brauchen eine neue, verlässlichere Basis, sind sich die Experten einig. Und tatsächlich können die gegenwärtigen Unzulänglichkeiten von Kilogramm, Kelvin und Co. behoben werden. In den letzten Jahren und teilweise Jahrzehnten haben die metrologischen Laboratorien der Welt daran gearbeitet Die Messkünstler haben der Natur tief in die Karten geschaut und die Werte bestimmter Naturkonstanten nach allen Regeln der Kunst gemessen. Mithilfe dieser Naturkonstanten, etwa dem Planck’schen Wirkungsquantum und der Boltzmann-Konstante, sollen die Einheiten nun stabil und damit zukunftssicher definiert werden.

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Maßeinheiten auf Basis von Naturkonstanten

Die neuen Definitionen der Maßeinheiten werden mithilfe von Naturkonstanten zeitlos gesichert. Der Vorteil: Die Naturkonstanten sind, wie der Name schon verrät, konstant. So ist die elektrische Ladung eines einzelnen Elektrons unveränderlich und auch das Licht hat im Vakuum immer und überall auf der Welt die gleiche Geschwindigkeit.

Die Idee, Maßeinheiten über Naturkonstanten zu definieren, ist nicht neu. Schon seit den 1960er Jahren ist die Dauer einer Sekunde zum Beispiel über die Frequenz eines bestimmten Elektronenübergangs in einem Cäsiumatom festgelegt. Und auch die Länge eines Meters wird seit 1983 nicht mehr am Ur-Maßstab gemessen, sondern ist als die Strecke definiert, die Licht im Vakuum im 299.792.458-sten Teil einer Sekunde zurücklegt. Weil Forscher die Naturkonstanten heute extrem exakt bestimmen können, führt die Physikalisch-Technische Bundesanstalt im Jahr 2019 ein neues Einheitensystem auf deren Basis ein.

Fahrplan für die Einheitenrevolution

Die Messungen in den Laboratorien sind abgeschlossen, sieben Naturkonstanten haben ihre festen Werte bekommen. Damit können sich die Einheiten wie das Kilogramm, das Kelvin oder das Ampere auf eine stabile und universelle Zukunft freuen. Denn wenn sich Naturkonstanten nicht ändern (oder dies zumindest nicht alltagsrelevant tun), dann sind auch die Einheiten, die sich auf sie beziehen, unveränderlich. Und überdies sind die Einheiten in einem sehr allgemeinen Sinn „überall verständlich“, denn die Naturkonstanten gelten nicht nur auf unserer Erde, sondern tatsächlich überall und immer – im Universum und für alle Zeiten.

Der Fahrplan hin zu einem fundamental umgebauten Einheitensystem, sieht so aus, dass sich die Staaten der Meterkonvention zu einer Generalkonferenz im November in Versailles treffen und aller Voraussicht nach den Umbau des Einheitensystems beschließen werden. Am Weltmetrologietag des Jahres 2019 soll dann das neue Einheitensystem in Kraft treten. Meter und Kilogramm, diese Kinder der französischen Revolution, werden dann den Anspruch von damals auf ganz neue Weise einlösen: „A tous les temps. A tous les peuples.“, frei übersetzt: Für alle Zeiten. Für alle Nationen.

* Dr. J. Simon, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 38116 Braunschweig

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