Schwer was los hier

Seit 1889 de­fi­niert ein Stück Me­tall die Grös­se des Ki­lo­gramms. Neu wird die Ein­heit der Mas­se durch ei­ne Na­tur­kon­stan­te be­stimmt.

Neue Zurcher Zeitung Sunday - - Wissen - Von Andre­as Hirstein en ord­re

In Zu­kunft wird das Kel­vin durch ei­ne fun­da­men­ta­le Na­tur­kon­stan­te be­stimmt – es wird mit der so­ge­nann­ten Boltz­mann­kon­stan­te ver­knüpft. Das hat den Vor­teil, dass die Ei­chung al­ler Ther­mo­me­ter von ei­ner Grös­se ab­hän­gen wird, die zu je­der Zeit und an je­dem Ort des Uni­ver­sums gleich ist.

Eben­falls neu ge­re­gelt wird das Mol, das heu­te noch der An­zahl von Koh­len­stoff­ato­men in ei­ner 12 Gramm schwe­ren Pro­be ent­spricht, die aus dem Koh­len­stoff­iso­top C-12 be­steht. Zu­künf­tig wird das Mol durch die Avo­ga­dro­kon­stan­te de­fi­niert.

Die Ein­heit der Strom­stär­ke, das Am­pere, wird durch ei­ne Ver­knüp­fung mit der elek­tri­schen La­dung ei­nes Elek­trons, der so­ge­nann­ten Ele­men­tar­la­dung, be­stimmt.

Am be­deu­tends­ten aber wird die vor­ge­se­he­ne Neu­de­fi­ni­ti­on des Ki­lo­gramms sein. Seit 1889 wird es durch ei­nen Zy­lin­der aus ei­ner Pla­tin­iri­di­um­le­gie­rung de­fi­niert. «Le Grand K», wie die­ser Pro­to­typ auch ge­nannt wird, la­gert mit sechs Ko­pi­en in ei­nem Tre­sor bei Pa­ris. Wei­te­re Ko­pi­en be­sit­zen die Mit­glied­staa­ten der CGPM, zu de­nen auch die Schweiz ge­hört. Die Schwei­zer Ki­lo­gramm­ko­pie trägt die Num­mer 38 und be­fin­det sich in Wa­bern bei Bern beim Eid­ge­nös­si­schen In­sti­tut für Me­tro­lo­gie (Me­tas).

Nur drei Per­so­nen be­sit­zen ei­nen Schlüs­sel zum Tre­sor in Pa­ris, und al­le wer­den be­nö­tigt, um den Safe zu öff­nen. Ein­mal im Jahr öff­nen die Her­ren und Da­men Me­tro­lo­gen die schwe­re Tür. Das soll si­cher­stel­len, dass al­les ist und das Ur­ki­lo­gramm un­be­rührt un­ter den drei Glas­glo­cken la­gert. Es ist eher ein wie­der­keh­ren­des Ri­tu­al als ei­ne prak­ti­sche Not­wen­dig­keit.

Nur vier­mal wur­de der Pla­tin­iri­di­um­Zy­lin­der seit 1889 aus dem Tre­sor ent­nom­men. Zu­letzt wur­den im Jahr 1992 Ver­gleichs­mes­sun­gen zwi­schen dem Pro­to­typ und den Ko­pi­en ge­macht – mit dem Er­geb­nis, dass die Me­tall­zy­lin­der eben doch nicht un­ver­än­dert sind, son­dern Ato­me und Mo­le­kü­le auf ih­ren Ober­flä­chen kon­den­sie­ren oder von ih­nen ver­damp­fen. Ge­gen­über den Ko­pi­en hat­te das Ur­ki­lo­gramm seit 1889 rund 60 Mi­kro­gramm ver­lo­ren. Das ent­spricht zwar le­dig­lich der Mas­se ei­nes In­sek­ten­flü­gels. Bei Prä­zi­si­ons­mes­sun­gen ist die Drift aber durch­aus stö­rend. Und weil die Mas­se auch in die De­fi­ni­ti­on an­de­rer Ein­hei­ten ein­geht, wür­de ih­re In­sta­bi­li­tät lang­fris­tig das ge­sam­te Ein­hei­ten­sys­tem zum Wan­ken brin­gen. Aus dem glei­chen Grund wird ein Me­ter nicht mehr durch ei­nen Me­tall­stab ent­spre­chen­der Län­ge (Urme­ter) fest­ge­legt. Seit 1983 ist er durch ei­ne fun­da­men­ta­le Na­tur­kon­stan­te, die Licht­ge­schwin­dig­keit, de­fi­niert: Ein Me­ter ent­spricht der Stre­cke, die Licht im Va­ku­um in ei­ner 1/299 792 458 Se­kun­de zu­rück­legt.

Das Ki­lo­gramm wird zu­künf­tig vom Planck­schen Wir­kungs­quan­tum h de­fi­niert, das eben­falls zu den fun­da­men­ta­len Na­tur­kon­stan­ten zählt. h taucht zum Bei­spiel in der Glei­chung auf, mit der man die En­er­gie ei­nes Licht­teil­chens be­schreibt: E = h*f, wo­bei E die En­er­gie und f die Fre­quenz des Lichts sind. Setzt man die­se Glei­chung mit Ein­steins E = mc2 gleich, kann man nach der Mas­se m auf­lö­sen. Ein­zi­ge Schwie­rig­keit: Man muss h sehr ge­nau mes­sen.

Die­ses Pro­blem ha­ben Wis­sen­schaf­ter in­zwi­schen ge­löst. Beim Me­tas ha­ben Phy­si­ker zu die­sem Zweck ei­ne so­ge­nann­te Wat­tWaa­ge ge­baut. An­de­re Me­tro­lo­gie­be­hör­den ha­ben sich für ei­ne al­ter­na­ti­ve Mess­me­tho­de ent­schie­den, die über­ein­stim­men­de Wer­te für h lie­fert. Da­mit ist der Weg frei für die Neu­de­fi­ni­ti­on. Sie darf laut den An­for­de­run­gen der CGPM nur er­fol­gen, wenn drei Mes­sun­gen von h mit min­des­tens zwei ver­schie­de­nen Tech­ni­ken über­ein­stim­men.

Auf dem Wo­chen­markt wird sich vor­läu­fig nichts än­dern. Watt­waa­gen wird es hier nicht ge­ben, und die Ei­chung von Ge­wich­ten und Waa­gen wird auch zu­künf­tig durch den Ver­gleich mit amt­lich ka­li­brier­ten Ge­wich­ten er­fol­gen. Am Ur­sprung die­ser Eich­ket­te wird in Zu­kunft aber nicht mehr ein Me­tall­zy­lin­der in ei­nem Pa­ri­ser La­bor ste­hen, son­dern ei­ne Kon­stan­te, die über­all im Uni­ver­sum auf die glei­che Wei­se be­stimmt wer­den kann.

Nur drei Per­so­nen be­sit­zen ei­nen Schlüs­sel zum Tre­sor in Pa­ris, und al­le drei wer­den be­nö­tigt, um den Safe zu öff­nen.

Der Pro­to­typ des Ki­lo­gramms und sechs Ko­pi­en in sei­nem Safe in Sèv­res bei Pa­ris. (11. Ok­to­ber 2006)

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