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Zum Weltmeterologietag : Die Welt wird neu vermessen

Ein kleiner Zylinder, nur knapp vier Zentimeter hoch - so sieht das Urkilogramm aus. Es steht gut behütet unter drei Glasglocken in Paris. Bild: dpa

Das physikalische Bezugssystem, mit dem wir die Masse, den elektrischen Strom oder die Temperatur vermessen, ist überarbeitet worden. Es hat ein neues, besonders stabiles Fundament bekommen: Naturkonstanten.

          Haben Sie sich heute morgen schon gewogen, auf das Thermometer geschaut oder vielleicht sogar schon den Stromzähler abgelesen? Und haben Sie keine Veränderung bemerkt? Dabei gelten doch  von diesem Montag an (20. Mai 2019) neue Regeln, wie die Welt vermessen wird. Von nun an, so haben es die mehr als hundert Mitgliedsländer der Meterkonvention am 16. November 2018 in Versailles einstimmig beschlossen, erhalten von den sieben physikalischen Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems (kurz SI-System) – Sekunde, Meter, Kilogramm, Ampere, Kelvin, Mol und Candela – auch die letzten ein neues Fundament, und zwar das Stabilste, was die Physik zu bieten hat: Naturkonstanten. Diese Größen sind – so viel man heute weiß – bis in alle Ewigkeit unveränderlich. Ideale Voraussetzung also, um damit auch das Koordinatensystem, mit dem wir Zeit, Raum, Masse, Temperatur oder Elektrizität vermessen, zu kalibrieren. Eine weitere gute Nachricht: Im Alltag wird man von dieser Neuregelung nichts merken.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Der Grund für die damit abgeschlossene Grundsanierung des SI-Systems sind Unzulänglichkeiten bei den bisherigen Definitionen von Kilogramm, Kelvin, Ampere und Mol, der Einheit für die chemische Stoffmenge. Diese Größen waren im Gegensatz zu Meter und Sekunde noch bis gestern über idealisierte, aber wenig praktikable Messvorschriften, labile Materialeigenschaften oder künstlich geschaffene Artefakte festgelegt. Diese historisch gewachsenen Konventionen hatten längst nicht mehr den Präzisionsanforderungen der Gegenwart entsprochen, schon gar nicht des modernen Messwesens, das Atome zählen und Moleküle wiegen kann.

          Das Urkilogramm verliert an Masse

          Beim Kilogramm war der Handlungsbedarf am größten. Denn die Einheit der Masse war die einzige der SI-Basisgrößen, die noch über einen Referenzgegenstand – einen Zylinder aus einer Platin-Iridium-Legierung – festgelegt war. Alle Gewichte dieser Welt, auch die des Ladens um die Ecke, bezogen sich auf dieses Urkilogramm, das seit 1889 in einem Tresor in Sèvres bei Paris verwahrt wird. Einen Schrecken bekamen die Wächter des Urkilogramms, als sie feststellten, dass ihr Kleinod im Laufe der Zeit gegenüber einigen seiner Duplikate leichter geworden ist, um 50 Mikrogramm. Wegen seiner „Flüchtigkeit“ war den Metrologen das Pariser Urkilogramm deshalb schon lange ein Dorn im Auge. Erschwerend kam hinzu, dass auf zentrale physikalische Größen wie Energie, Druck oder Kraft und somit auch das Ampere, die mit dem labilen Urkilogramm verknüpft sind, deshalb auch kein rechter Verlass war.

          Rettung durch die Unveränderlichen

          Es war also höchste Zeit für eine Generalüberholung des SI-Systems, das 1960 offiziell eingeführt wurde und dessen Regularien sich fast alle Länder der Erde verpflichtet fühlen. Ausnahmen: die Vereinigten Staaten, Liberia und Burma. In den vergangenen Jahren ist es dank raffinierter Experimente gelungen, viele Naturkonstanten sehr präzise zu bestimmen. Von sieben dieser Unveränderlichen sind die Werte inzwischen so gut bekannt, dass man sie dazu verwenden kann, die Basiseinheiten von Kilogramm, Ampere, Kelvin und Mol festzulegen. Und sollten die Naturkonstanten noch genauer ermittelt werden, dann werden auch die Einheiten entsprechend davon profitieren.

          Die Idee, Maßeinheiten über in der Natur vorkommende Größen zu definieren, hat eine lange Tradition. Sie reicht bis zur französischen Revolution zurück. Damals wollte man Ordnung in das damals herrschende Dickicht verschiedener Gewichts- und Längeneinheiten bringen. Das Längenmaß sollte sich nicht länger willkürlich an den Körpermaßen eines Menschen wie Elle oder Fuß orientieren, sondern an den Abmessungen der Erde. So wurde die Länge eines Meters als der Zehnmillionste Teil der Entfernung vom Nordpol zum Äquator entlang des Meridians festgelegt, der durch Paris verläuft. Ähnlich verfuhr man mit dem Wirrwarr an existierenden Masseneinheiten. Hier diente fortan ein Kubikdezimeter Wasser als Referenz. Aus praktischen Gründen fertigte man das Urmeter und das Urkilogramm an. Die beiden Artefakte waren bald nicht nur in Frankreich die „Maße aller Dinge“.

          Das Urkilogramm wandert ins Museum

          Mit der industriellen Revolution und den wachsenden internationalen Handelsbeziehungen, erkannten viele Staaten, dass ein einheitliches über die Landesgrenzen hinaus gültiges Maßsystem überaus nützlich wäre. 1875 vereinbarten 17 führende Industrienationen – darunter das Deutsche Reich – ein Einheitensystem auf der Basis von Meter, Sekunde und Kilogramm einzuführen. Besiegelt wurde es in einem diplomatischen Vertrag, der „Meterkonvention“. Im Zuge des technischen und wissenschaftlichen Fortschritts ist das Einheitensystem erweitert worden. 1954 kamen das Ampere, das Kelvin und das Candela hinzu, 1971 das Mol. Mit Erfindungen und verfeinerten Messtechniken haben sich im Laufe der Zeit auch die Definitionen immer wieder geändert. So hatte das Urmeter nach der Erfindung des Lasers Anfang der sechziger Jahre bald ausgedient. Ähnlich erging es der Sekunde, die nicht mehr auf die Erdumdrehung zurückgeführt wird, sondern auf das präzise Ticken der Atomuhr.

          Pünktlich zum diesjährigen Welttag der Metrologie hat auch das Urkilogramm als makroskopische Eichnormale ausgedient. Der Zylinder in Sèvres ist fortan nichts weiter als ein Museumsstück. Das hat allerdings auch seinen Preis: Konnte man gestern noch anschaulich erklären, was ein Kilogramm ist, wird das nun nicht mehr so leichtfallen. Denn jetzt muss man wissen, was es mit Naturkonstanten wie dem Planckschen Wirkungsquantum auf sich hat. Glücklicherweise braucht man dieses Spezialwissen nicht, wenn man beim Bäcker einen Kilogramm schweren Laib Brot verlangt oder die Temperatur am Thermometer abliest.

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