Das Urkilogramm hat ausgedient
Physikalische Einheit neu definiert: Das Urkilogramm hat ausgedient – SPIEGEL ONLINE – Wissenschaft
In Versailles wurde heute Geschichte geschrieben – zumindest in der Wissenschaft. Denn das Kilogramm wurde neu definiert. Notwendig wurde der Schritt, weil das bislang verwendete Urkilogramm an Gewicht verliert.

Es ist ein bisschen wie die Neuvermessung der Welt: Auf der Generalkonferenz für Maß und Gewicht in Versailles haben Experten aus 60 Staaten über ein neues Einheitensystem abgestimmt. Ampere (Stromstärke), Mol (chemische Stoffmenge) und Kelvin (Temperatur) wurden neu definiert – und eine Maßeinheit, die uns tagtäglich begleitet: das Kilogramm.

Doch die Schönheit ist nur ein Mittel zum Zweck. Und in diesem Zweck liegt eine feine Ironie: Diese Kugeln wurden geschaffen, um die Welt der Maßeinheiten von konkreten Objekten unabhängig zu machen. Jedenfalls dort, wo die im Alltag so häufig benutzten Einheiten wie Kilogramm, Meter und Sekunde für die ganze Menschheit definiert werden. Dieses Ziel verfolgen die Fachwissenschaftler der Disziplin, die Metrologen, seit Jahrzehnten. Und an diesem Freitag hat die “26. Allgemeine Konferenz über Gewichte und Maße” endlich in Versailles beschlossen, das internationale System der Einheiten zu reformieren. Ab kommendem Mai beruhen die sieben fundamentalen Maßeinheiten damit offiziell auf sieben Naturkonstanten. Es ist unter anderem das Ende des Urkilogramms von Paris.

Physik – Das Ende des Urkilogramms

Das Urkilogramm ist ein golfballgroßer Zylinder aus Platin und Iridium und trägt den Namen “Grand K”. Seit 1889 ruht er im Tresor eines Schlosses bei Paris. Ursprünglich war man davon ausgegangen, dass es für alle Zeiten als Vergleichskörper zum Eichen von Waagen verwendet werden kann. Aber das hat nicht funktioniert.

“Das SI ist vielleicht das großartigste und erfolgreichste Experiment in Sachen Kooperation”, kommentiert Jon Pratt von der amerikanischen Eichbehörde NIST, der die Reform in seinem Land vorangetrieben hat. Zusammen hätten die Nationen etwas geschaffen, das “niemandem gehört, aber für alle zugänglich ist”. Seine Behörde, sonst nicht gerade für Pathos bekannt, beschreibt die Reform als “Umkehrpunkt für die Menschheit”, bei der deutschen Physikalisch-Technischen Bundesanstalt PTB heißt es, “die Naturkonstanten wenden alles zum Guten”. Es sei ein “historischer Meilenstein”, stellte auch Martin Milton fest, Direktor des internationalen Büros für Gewichte und Maße BIPM in Paris, denn jetzt diktierten “die Regeln der Natur die Regeln des Messens”.

Denn “Grad K” wurde mit der Zeit immer leichter. Vermutlich wurde beim Gießen des Zylinders auch Gas in das Metall mit eingeschlossen, das dann mit der Zeit aus dem Metallklotz entwich. Kurz und gut: Feste Vergleichskörper, wie das Urkilogramm oder das ebenfalls aus Platin gegossene Urmeter, haben sich für heutige, hochgenaue Eichzwecke als ziemlich ungeeignet erwiesen, weil sie zu instabil sind.

Wissenschaftler haben lange auf diesen Tag hingearbeitet. Vom “größten Umschwung im Messwesen seit der Französischen Revolution” sprach zum Beispiel der deutsche Physik-Nobelpreisträger Klaus von Klitzing. Fachleute betrachten die bevorstehende Reform tatsächlich als Vollendung des metrischen Systems, das die Republikaner in Paris 1799 eingeführt hatten – “für alle Zeiten, für alle Menschen”, wie es damals hieß. Daraus ist mit dem Meter-Vertrag von 1875, der heute 60 volle und 42 assoziierte Mitglieder hat, das “Système international dunités” (SI) geworden. Es gilt selbst in Ländern wie Großbritannien und den USA, wo es im Alltag noch Zoll, Unzen und Gallonen gibt.

Und “hat das Kilogramm ein Problem, haben es die anderen Einheiten automatisch auch”, beschreibt die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) das Dilemma. In der Wissenschaft des Vermessens, die weder beim Nanometer (Millionstel Millimeter) noch bei der Femtosekunde (Millionstel einer Milliardstel Sekunde) aufhört, sind Schwankungen ein unhaltbarer Zustand für die Forscher.

Der wichtigste Besitz des Pariser BIPM wird mit der Reform somit zum historischen Kuriosum: In einem Panzerschrank verwahrt die Organisation bis heute das Urkilogramm, einen im Jahr 1889 gegossenen Zylinder aus Platin und Iridium, an dem seither jede Waage der Welt über eine lange Kette von Vergleichsmessungen geeicht worden ist. Doch so ein menschengemachter Prototyp verändert sich mit der Zeit – jedenfalls scheinen die auf aller Welt verteilten Kopien im Vergleich zum Original an Gewicht zugelegt zu haben. Offenbar verliert das Urkilogramm nach und nach etwas Masse.

Deshalb hat das Internationale Büro für Maß und Gewicht “Grand K” und seine sechs offiziellen Kopien nun in den Ruhestand geschickt. Stattdessen wurde eine wissenschaftliche Formel festgelegt, durch die das exakte Gewicht eines Kilogramms bestimmt wird. Die neue Festlegung besagt, dass ein Kilogramm künftig der Masse einer bestimmten Anzahl von Siliziumatomen entspricht. Denn es ist mittlerweile sehr viele präziser, Atome zu zählen, als über alle Zeiten unveränderliche Klötze aus Metall zu gießen.

Perfekter geht es eigentlich nicht. Ein Kilogramm schwer, 9,4 Zentimeter groß, gefertigt aus einem nahezu reinen Einkristall von Silizium-28, metallisch strahlend, auf Hochglanz poliert und vor allem: so rund wie kein anderes Objekt, das je von Menschenhand gefertigt wurde. Von der perfekten Kugelform weichen diese Siliziumkugeln an keiner Stelle der Oberfläche um mehr als 30 Millionstel Millimeter ab. Hätten die Kugeln den Durchmesser der Erde, betrügen die Höhenunterschiede zwischen tiefstem Tal und höchstem Gipfel weniger als fünf Meter.

Beim Urmeter hatte man bereits vor mehr als 30 Jahren Konsequenzen gezogen, den Metallstab aussortiert und stattdessen festgelegt, dass ein Meter einer bestimmten Anzahl von Lichtwellenlängen entsprechen soll. Und nun wurde das Urkilo überflüssig.

Für diese Reform haben die Hüter der Einheiten vor etlichen Jahren einen Fahrplan aufgestellt. Das generelle Ziel war, die unveränderlichen und allgemeingültigen Naturkonstanten im Rahmen der bisherigen Definitionen sehr genau zu bestimmen und dann das Verfahren umzudrehen: Die Konstanten werden nun numerisch fixiert und die Einheiten danach aus diesen Zahlenfolgen abgeleitet. Dazu sollten die nötigen Messwerte bis Mitte 2017 mit vorgegebener Mindestpräzision von wenigstens drei unabhängigen Teams mit zwei Methoden erhoben werden.

Für die Allgemeinheit wird diese Änderung keine wahrnehmbaren Folgen haben. Auf der Körperwaage im Bad bleibt ein Kilogramm gleich schwer und auch im Supermarkt bekommt man nicht mehr oder weniger für sein Geld. Wissenschaftler sehen die Neudefinition des Kilos aber als wichtigen Schritt in die moderne Zeit.

Und doch dient die Reform langfristig auch den Interessen der Verbraucher. “Alle erwarten doch heute, dass die Sekunden ganz exakt gezählt und das Fleisch beim Metzger präzise gewogen wird”, sagt Cornelia Denz, Physikprofessorin an der Universität Münster. “Darum ist es ein guter und zeitgemäßer Weg, dass man die nötigen Einheiten nun überall auf der Welt unabhängig von einem physikalischen Referenzobjekt mit gleicher Genauigkeit definieren kann. Und das Einzige, das überall gleich ist, sind die Naturkonstanten.”

Denn damit ist nach 35 Jahren das sogenannte SI-Einheitensystem komplett umgestellt auf neue Definitionen, die vielleicht wirklich für alle Zeiten gültig sein könnten, weil sie auf Naturkonstanten beruhen, die als unveränderlich gelten. Die Neuregelungen treten am 20. Mai 2019 in Kraft.

Die bisherigen Definitionen von Kilogramm, Mol, Ampere und Kelvin, die bislang komplizierte Messverfahren oder den Vergleich mit einem menschengemachten physischen Objekt vorgeben, werden abgelöst. Zeit, Länge und Lichtstärke (Sekunde, Meter und Candela) erklären sich schon seit Jahrzehnten mit Naturkonstanten. Im Alltag, im Supermarkt, an der Tankstelle, beim Blick auf Thermometer und der Medikamentendosierung ändert sich dadurch nichts: Gewichte und Maße bleiben unverändert.

Was genau ist ein Kilogramm? Bislang lagerte die Antwort darauf in einem gut bewachten Safe bei Paris. Nun haben mehr als 50 Staaten eine Neudefinition beschlossen, die ganz ohne den sensiblen Prototyp aus Platin auskommt.

Jahrgang 69, seit 2004 bei SPIEGEL ONLINE, Ressorts Wissenschaft und Netzwelt. Studium Physik und Romanistik in Leipzig und Metz, Assistent der Geschäftsführung, Werbetexter, zuletzt Volontär und Redakteur beim Computermagazin ct/heise online. Seit August 2014 stellvertretender Leiter im Ressort Wissenschaft, seit Mai 2015 Ressortleiter Wissenschaft/Gesundheit. Seit Dezember 2017 stellvertretender Ressortleiter.

• Kelvin (Temperatur): bisher mithilfe des Triple-Punkts von Wasser bestimmt – der Kombination von Druck und Temperatur, bei der Wasser gleichzeitig als Eis, Flüssigkeit und Dampf vorkommt. Die neue Definition stützt sich auf die Boltzmann-Konstante, die die Energie eines Gases mit dessen Temperatur verknüpft.

Der Weg zum Internationalen Büro für Maß und Gewicht ist nur schwer zu finden. Kein Schild an der Zufahrt im Pariser Vorort Sèvres verrät, dass hier ein quasi unersetzliches Unikat aufbewahrt wird – nur wenige Hundert Meter vom Ufer der Seine.

In dem historischen Gebäude steht ein Tresor, in dem der nur wenige Zentimeter große Zylinder aus Platin und Iridium lagert. Dieses sogenannte Urkilogramm definiert die Maßeinheit der Masse – und zwar schon seit dem Jahr 1889.

Doch so richtig glücklich sind Physiker über den von mehreren Glasglocken geschützten Metallzylinder nicht. Weil er oder seine über Messinstitute weltweit verteilten Kopien beschädigt werden oder gar verloren gehen könnten. Und weil es erstaunliche Differenzen zwischen den Kilogramm-Prototypen gibt, die keiner so recht erklären kann.

Bislang diente das seit Ende des 19. Jahrhunderts in einem Tresor in der Nähe von Paris verwahrte Ur-Kilo als Grundmaß aller Gewichte. Es hatte jedoch in den vergangenen Jahrzehnten an Masse verloren, ein Ersatz musste her. Auch weil viele andere Einheiten wie das Mol oder das Ampere vom Kilo abhängig waren. Hat das Kilogramm ein Problem, haben es die anderen Einheiten automatisch auch, hieß es in einer der vielen PTB-Veröffentlichungen zum Thema.

Forscher hatten nämlich festgestellt, dass der Pariser Platinzylinder auf rätselhafte Weise schrumpft. Bei regelmäßigen Vergleichsmessungen von Urkilogramm und seinen Kopien schien das Urkilogramm immer leichter zu werden – womöglich hervorgerufen durch die Reinigungsprozedur.

Bislang diente das seit Ende des 19. Jahrhunderts in einem Tresor in der Nähe von Paris verwahrte Ur-Kilo als Grundmaß aller Gewichte. Es hatte jedoch in den vergangenen Jahrzehnten an Masse verloren, ein Ersatz musste her. Auch weil viele andere Einheiten wie das Mol oder das Ampere vom Kilo abhängig waren. Hat das Kilogramm ein Problem, haben es die anderen Einheiten automatisch auch, hieß es in einer der vielen PTB-Veröffentlichungen zum Thema.

All diese Probleme soll eine neue Definition des Kilogramms lösen, die gerade 60 Staaten auf einer Konferenz in Versailles beschlossen haben. Sie kommt ganz ohne das fast 130 Jahre alte Unikat aus und beruht allein auf einer Naturkonstante – dem sogenannten Planckschen Wirkungsquantum, auch Planckkonstante genannt. Diese entspricht dem Verhältnis von Energie und Frequenz eines Photons.

Neu definiert haben die Metrologen, wie sich die Experten fürs Messen selbst nennen, auch drei weitere Einheiten:

Eine Mehrheit für das Internationale Einheitensystem (SI, französisch: Système international d`unités) bedeutet aber nicht, dass Verbraucher sich neue Waagen kaufen müssen. Die Änderungen seien im täglichen Leben nicht bemerkbar, sagt Jens Simon, Sprecher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Ihm zufolge werden Mängel des bisherigen Systems beseitigt und eine universelle Sprache für eine hochtechnische Welt geschaffen.

Auch diese drei neuen Festlegungen fußen auf Naturkonstanten, und zwar der Elementarladung eines Elektrons, der Boltzmann- sowie der Avogadro-Konstante.

Allein bei der PTB waren nach Angaben des Sprechers weit über 50 Forscher in den vergangenen Jahren an der Entwicklung beteiligt. Insgesamt würden rund um den Globus sicher einige Hundert Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker von den großen nationalen Metrologieinstituten wie etwa dem National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA zusammenkommen.

Das klingt alles sehr technisch – und das ist es auch. Doch mit der Reform sorgen die Unterzeichnerstaaten der sogenannten Internationalen Meterkonvention für neue Gewissheiten im System der sieben SI-Einheiten.

Allein bei der PTB waren nach Angaben des Sprechers weit über 50 Forscher in den vergangenen Jahren an der Entwicklung beteiligt. Insgesamt würden rund um den Globus sicher einige Hundert Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker von den großen nationalen Metrologieinstituten wie etwa dem National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA zusammenkommen.

Was ein Kilogramm ist, wird künftig als Ergebnis eines Experiments festgelegt, das entsprechend ausgerüstete Institute jederzeit durchführen können. Vorbild dafür ist die Einheit Sekunde, die schon seit den Sechzigerjahren über einen ganz bestimmten Versuchsaufbau bestimmt werden kann.

0 Anzeige Revolution in Versailles: Zumindest in der Metrologie, der Wissenschaft vom präzisen Messen wird am heutigen Freitag nahezu alles auf den Kopf gestellt. Auf der Generalkonferenz für Maß und Gewicht in der französischen Stadt sollen Vertreter von 60 Staaten über ein neues Einheitensystem abstimmen.

Keine Frage: Wenn sämtliche Uhren auf der Erde plötzlich verschwunden wären, gäbe es ein großes Durcheinander auf Flughäfen und Bahnhöfen. Fahrpläne wären Makulatur. Niemand könnte mehr genau sagen, wie lang eine Stunde, eine Minute oder eine Sekunde ist.

Revolution in Versailles: Zumindest in der Metrologie, der Wissenschaft vom präzisen Messen wird am heutigen Freitag nahezu alles auf den Kopf gestellt. Auf der Generalkonferenz für Maß und Gewicht in der französischen Stadt sollen Vertreter von 60 Staaten über ein neues Einheitensystem abstimmen.

Aber das Chaos würde nur von kurzer Dauer sein. Denn eine Sekunde ist definiert als die Zeitspanne, in der die Strahlung eines angeregten Cäsium-Atoms 9.192.631.770-mal schwingt. Der Apparat, in dem dies geschieht, heißt Atomuhr. Man baut also eine solche Atomuhr – und weiß, wie lang eine Sekunde ist.

Der Meter wird übrigens ebenfalls durch eine Naturkonstante bestimmt – die Lichtgeschwindigkeit. Man erhält einen Meter, wenn man jene Strecke durch 299.792.458 teilt, die Licht im Vakuum in einer Sekunde zurücklegt. Bis zum Jahr 1983 war auch diese Einheit noch über ein Metallstück definiert – das sogenannte Urmeter.