Das Maß der Masse wird neu vermessen
Im November wird die Welt der Physik eine neue Definition des Kilogramms erhalten. Was es damit auf sich hat, erläuterte Nobelpreisträger Klaus von Klitzing in Saarbrücken.
Wie viel wiegt ein Kilogramm? Diese Frage ist nicht so lächerlich, wie sie im ersten Augenblick klingen mag. Tatsächlich ist die Antwort schwierig, jedenfalls, wenn es auf extreme Genauigkeit ankommt. Dann können Messungen zu unterschiedlichen Resultaten führen, denn das Kilogramm ist seit dem 19. Jahrhundert durch sogenannte Vergleichskörper definiert. Und deren Massen unterscheiden sich.
Wann immer auf der Welt etwas gewogen wird, wird das Resultat mit dem Ur-Kilogramm verglichen, einem Zylinder aus einer Platin-Iridium-Legierung von 39 Millimetern Höhe und Durchmesser, der seit 1889 im Internationalen Büro für Maße und Gewichte bei Paris aufbewahrt wird. Aus praktischen Gründen gibt es weltweit zahlreiche Kopien dieses Platinklotzes. Doch die haben allesamt ein Problem. Ihre Massen sind nicht mehr identisch, und diese Differenzen werden größer. Niemand kann sagen, ob nun das Ur-Kilogramm schwerer oder die Vergleichskörper leichter werden. Wohin sich die Masse verflüchtigt hat? Keiner weiß es.
Zugegeben, die Differenzen sind winzig, sie liegen im Bereich von 50 Millionstel Gramm – das entspricht in etwa der Wirkstoffdosis im Sprühstoß eines Nasensprays. Doch in der Welt der Wissenschaft sind nicht nur die Differenzen der Kilo-Körper ein wachsendes Ärgernis. Die Forscher beschäftigt auch die Frage: Was wäre, wenn das offizielle Kilogramm verschwände oder zerstört würde?
Gefragt ist eine Idee für eine Neudefinition des Kilogramms, die weltweit gültig und auf weniger als 50 Millionstel Gramm genau ist. „Hat jemand hier im Saal eine Idee?“, fragte am Samstagabend Nobelpreisträger Klaus von Klitzing mehr als 800 Zuhörer im Saarbrücker Staatstheater bei der Jahrestagung der Gesellschaft Deutscher Naturforscher und Ärzte (GDNÄ) – und absolvierte anschließend mit seinem Publikum in 60 Minuten eine Zeitreise durch die Geschichte der Metrologie, der Wissenschaft des Messens.
Forscher müssen präzise messen, um präzise beschreiben zu können. Dafür braucht es universell gültige Maßeinheiten. Die Idee eines einheitlichen und universellen Einheitensystems geht zurück auf die Französische Revolution, erinnerte der 75-jährige Physik-Professor, der heute Mitglied im Direktorium des Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart ist. Das Ur-Meter und das Ur-Kilogramm sind damit Kinder der Französischen Revolution, wobei das Längenmaß aus Platin schon lange im Museum liegt. Der Wert des Meters wurde im Jahr 1983 über die Lichtgeschwindigkeit fixiert. Der Vergleichskörper des Ur-Kilogramms ist dagegen immer noch im Dienst. „Ich bin dafür, dass man das jetzt ersetzt.“
Tatsächlich bahnt sich nun die nächste Revolution an, erläuterte von Klitzing. Bei der Generalkonferenz für Maße und Gewichte am 16. November in Versailles soll eine moderne Definition des Kilogramms beschlossen werden. Allerdings – nur keine Angst – soll dieser Umsturz, den die Welt der Wissenschaft für so bedeutend hält, dass die Veranstaltung live im Internet übertragen wird, an unserem Alltag spurlos vorübergehen. Um mit Klaus von Klitzing zu sprechen: „Ein Kilogramm bleibt ein Kilogramm auch nach 2018.“Das neue Maß der Masse müsse jedoch genauer werden und wie die sechs anderen Basisgrößen der Physik künftig auf Naturkonstanten fußen, „die überall im Universum identisch sind“. Dazu gehören zum Beispiel die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und die Elementarladung.
Klaus von Klitzing selbst fällt bei dieser Neudefinition keine unerhebliche Rolle zu. Denn bei der Neufestlegung des Kilogramms spielt die Entdeckung des Stuttgarter Physik-Professors eine Schlüsselrolle, für die er 1985 den Nobelpreis erhielt. Der Quanten-Hall-Effekt und die daraus abgeleitete von-Klitzing-Konstante sollen neben anderen Effekten der Quantenphysik die universelle Kilogramm-Definition möglich machen. Dazu werden ultrapräzise Waagen genutzt, welche die Masse über eine elektrische Leistung definieren. Auf dem Weg über die Quantenphysik lässt sich bei diesen sogenannten Watt-Waagen ein
(GDNÄ) ist beinahe 200 Jahre alt und damit die älteste wissenschaftliche Vereinigung Deutschlands. Sie hat fast 4000 Mitglieder, unter ihnen sind zahlreiche Nobelpreisträger. Der Physiker Max Planck war 1921/22 selbst Vorsitzender der GDNÄ. direkter Zusammenhang zwischen der Masse und einer universellen Naturkonstanten herstellen: dem vom deutschen Physik-Professor und späteren Nobelpreisträger Max Planck im Jahr 1900 entdeckten Wirkungsquantum, das den Energieaustausch auf atomarer Ebene beschreibt. Und es ist sicherlich kein Zufall, dass die Neudefinition des Kilogramms im Mai 2019 Gültigkeit erlangen soll, zum hundertsten Jahrestag des Nobelpreises für Max Planck.
„Ich hätte nie gedacht, dass ich eines Tages einen Beitrag zum Kilogramm leisten würde“, verriet der bekennende Grundlagenforscher Klaus von Klitzing zum Ende seines Vortrags im Saarbrücker Staatstheater. Eigentlich sei es ihm bei seinen Experimenten, die 1980 zu Entdeckung des Quanten-Hall-Effektes führten, um ein ganz anderes Thema gegangen. Auch auf einen Nobelpreis hinzuarbeiten, sei nie seine Absicht gewesen. „Neugierig sein, sich immer wieder fragen ‚Wie kann ich etwas verstehen‘ – das ist Forschung.“