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Metrologie: Das neue Kilo

Das Urkilogramm, ein Platin-Iridium-Zylinder, wird leichter. Deshalb versuchen Forscher das Maß der Masse mittels einer Naturkonstanten neu zu definieren. Die dazu notwendigen, sehr präzisen Messungen sind nun unter Dach und Fach.
Urkilogramm in einer ComputersimulationLaden...

In einem Tresor fest verschlossen ruht in Frankreich ein ganz außergewöhnliches Objekt: Ein unscheinbarer Zylinder, der exakt ein Kilogramm wiegt und seit 1889 als Referenz für die Maßeinheit der Masse dient. Nur wenige Personen haben Zugang zu dieser sonderbaren Kostbarkeit. Alle paar Jahrzehnte nehmen sie das Urkilogramm aus seiner Aufbewahrung in einem Pariser Vorort, um es zu reinigen und sein Gewicht zu kontrollieren. Dabei stellten die Experten fest, dass der Zylinder offenbar schleichend leichter wird. Weshalb, das ist nicht abschließend geklärt.

Auch wenn der Masseverlust nur sehr gering ist, könnte er mitunter ernst zu nehmende Probleme verursachen. Insbesondere bei sehr präzisen, wissenschaftlichen Messungen machen sich solche Abweichungen schnell bemerkbar. Daher ersannen Wissenschaftler den Plan, das Kilogramm auf eine verlässlichere Art und Weise zu definieren – nämlich über eine grundlegende Naturkonstante, das plancksche Wirkungsquantum. Max Planck hatte diese universelle Konstante eingeführt, um das stets gleich bleibende Verhältnis von Energie und Frequenz eines Lichtteilchens zu beschreiben.

Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST), USA, haben nun ihre abschließenden Ergebnisse präsentiert. Mit einer so genannten Wattwaage, wiegen sie gewissermaßen ein Kilogramm gegen elektrische Leistung auf: Auf der einen Seite wirkt die Gewichtskraft, auf der anderen übt eine stromdurchflossene Spule mittels eines Magnetfelds eine Gegenkraft aus. Da die Einheit der elektrischen Leistung, Watt, über Umwege an das plancksche Wirkungsquantum gekoppelt ist, lässt sich ein Bezug zwischen einem Kilogramm und der Konstanten herstellen. Der nun im Fachblatt "Metrologia" veröffentlichte Wert ist der bislang genaueste.

Auch andere Forschergruppen, darunter eine deutsche von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), führten gleiche beziehungsweise vollkommen andersartige Experimente durch. Denn die Bedingung für eine Neudefinition lautet: Mindestens drei auf Basis eines Kilogramms unabhängig ermittelte Werte der Planck-Konstanten müssen innerhalb eines engen Toleranzbereichs übereinstimmen. Ein Komitee wird nun die verschiedenen Werte begutachten und die finale Entscheidung treffen. Mit der Veröffentlichung der Forscher vom NIST steht aber einer Neudefinition im Herbst 2018 offenbar nichts mehr im Wege. Denn sowohl das deutsche als auch ein kanadisches Team hatten bereits zuvor sehr präzise Werte präsentiert.

27/2017

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 27/2017

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