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Metrologie: Die Zukunft von Kilogramm und Co.

Im internationalen Einheitensystem der Zukunft werden auch Maßeinheiten wie Kilogramm oder Ampère anhand von Naturkonstanten definiert sein.
Neues Urkilogramm aus SiliziumLaden...
Mögen Juristen und Politiker noch darüber debattieren, wie Europas Staaten enger miteinander zu verknüpfen seien, beim Messen und Wiegen ist die Einheit Europas längst erreicht. Schon 1875 vereinbarten nämlich 17 Staaten aus aller Welt, darunter auch das Deutsche Reich, in der "Internationalen Konvention für Maße und Gewichte" (kurz: "Meterkonvention") einen gemeinsamen Satz von Maßeinheiten. Vielleicht der bekannteste Standard ist der internationale Kilogrammprototyp, das "Urkilogramm", ein Zylinder aus einer Platin-Iridium-Legierung von definitionsgemäß einem Kilogramm Masse; er liegt seit 1889 in einem Safe beim Internationalen Büro für Maße und Gewichte (BIPM) in Sèvres bei Paris. Damals ersetzte er die ältere Definition über die Masse von einem Liter Wasser bei maximaler Dichte. Ein Fortschritt, denn diese verlangte, Temperatur und Druck zu ermitteln, in deren Festlegung aber die Masse mit einging – ein Zirkelschluss.

Einmal im Jahr wird in einer feierlichen Zeremonie überprüft, ob der Zylinder noch vorhanden und unversehrt ist. 1950 und 1990 erfolgte zudem ein Vergleich der Kopien mit dem Original. Das Ergebnis: Die meisten Kopien sind nun etwa 50 Mikrogramm schwerer als das Urkilogramm. Vermutlich aber ist der Prototyp auf Grund von Alterungsprozessen oder durch Masseverluste beim Reinigen leichter geworden – und somit streng genommen auch das Kilogramm! Die geringe Differenz hat für das Alltagsleben wenig Bedeutung, ein Bäcker könnte sie kaum auswiegen. Für die Wissenschaft ergibt sich ein anderes Bild, denn das Kilogramm geht in die Definition weiterer Einheiten ein, etwa in die der elektrischen Spannung oder der Magnetfeldstärke.

Solche Probleme von Verlust, Beschädigung oder Alterung sind ein grundsätzliches Problem bei Standards, die auf den Eigenschaften von Artefakten beruhen. Schon vor über 100 Jahren schlug der schottische Physiker James Clerk Maxwell (1831 – 1879) daher vor, Maßeinheiten an unveränderlichen Eigenschaften von Molekülen beziehungsweise Atomen festzumachen. Beim Kilogramm haben sich die Metrologen auf zwei aussichtsreiche Wege verständigt: Der erste Ansatz definiert das Kilogramm als Masse einer genau bestimmten Anzahl von Atomen der gleichen Sorte. Der Gedanke liegt nahe, ein "Urkilogramm 2.0" gezielt aufzubauen. Eine anspruchsvolle Aufgabe, denn die Masse eines Atoms ist 1025-mal kleiner als ein Kilogramm, so dass entsprechend viele davon abgezählt werden müssten. Tatsächlich ist genau das versucht worden...
März 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft März 2010

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