Mit Kugeln aus Silizium-Kristall kann die Avogadro-Kontante exakt bestimmt werden, auf deren Grundlage das Kilogramm künftig bemessen wird. In dieser Apparatur wird die Einheit "weitergegeben", etwa um Waagen zu eichen. Foto: Physikalisch-Technische Bundesanstalt
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Urkilo bekommt neue Basis Ab Montag ist das Kilogramm unveränderlich schwer

Noch ist es wohl ein wenig unsicher, was uns die Waage anzeigt: Das maßgebliche Urkilo in Paris hat in 130 Jahren an Gewicht verloren. Damit ist nun Schluss.

Wenn Physiker von einer „Revolution“ sprechen, handelt es sich meist um Ereignisse, die zwar für den Alltag bedeutungslos sind, aber wenigstens ein bisschen aufregend: wie die Entdeckung des Higgs-Teilchens, der Nachweis von Gravitationswellen oder das erste Bild eines Schwarzen Lochs. In diesem Fall jedoch ist eigentlich gar nichts los – und genau das finden die Leute von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig so bemerkenswert. „Wenn wir den Übergang vom alten System zum neuen so hinbekommen, dass keiner etwas merkt, dann haben wir alles richtig gemacht“, sagt Jens Simon, Sprecher der PTB.

Der Flügel einer Fliege

Es geht um das internationale Einheitensystem. Ab dem 20. Mai gelten neue Definitionen, so dass dann alle sieben Basiseinheiten ausschließlich über Naturkonstanten beschrieben werden: Meter, Candela, Ampere, Kelvin, Sekunde, Mol, Kilogramm, wobei die letzte das wohl prominenteste Beispiel ist. Seit 1889 ist die Referenz ein Zylinder, 39 Millimeter hoch und 39 Millimeter im Durchmesser, gefertigt aus 90 Prozent Platin und 10 Prozent Iridium. Dieses „Urkilogramm“ wird nahe Paris verwahrt und ist – über viele Umwege – der Standard, nach dem sich verschiedenste Waagen zu richten haben, insbesondere jene, die von Amts wegen geeicht wurden. Dumm nur, dass das „Urkilo“ selbst veränderlich ist. Vergleiche mit Kopien zeigten, dass es im Lauf der Zeit rund 50 Mikrogramm verloren hat, das entspricht etwa der Masse des Flügels einer Fliege. Nicht viel, zugegeben, aber man kann durchaus argumentieren, dass die 100 Kilogramm heute morgen auf der Waage, die sich schließlich am Urkilo orientiert, zumindest etwas unsicher sind.

Ausgedient. Das bislang für Deutschland maßgebliche Urkilo, eine Kopie des Pariser Vorbilds, wird an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig unter drei Glasglocken aufbewahrt. Foto: Physikalisch-Technische Bundesanstalt Vergrößern
Ausgedient. Das bislang für Deutschland maßgebliche Urkilo, eine Kopie des Pariser Vorbilds, wird an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig unter drei Glasglocken aufbewahrt. © Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Für Metrologen ist das ein unhaltbarer Zustand. Mehr noch: „Auf einer sehr großen Skala von Millionstel Gramm bis viele Tonnen ist über das Urkilogramm lediglich ein Punkt fest definiert“, sagt Simon. „Je weiter ich mich von diesem Punkt entferne, desto größer ist die Messunsicherheit.“ Um das Problem zu lösen, sollte die Masse und damit das Kilogramm über Naturkonstanten bestimmt werden, denn das hat sich bereits bei anderen Einheiten bewährt. Das Meter zum Beispiel ist seit 1983 definiert als die Länge, die Licht im Vakuum in einer bestimmten Zeit zurücklegt. „Hier stellt sich die Frage, ob Naturkonstanten wie die Lichtgeschwindigkeit tatsächlich seit Beginn des Universums und an jedem Ort konstant sind“, erläutert Simon. Nach allem, was Experimente dazu ergeben haben, seien sich die Physikerinnen und Physiker sicher, dass minimale Abweichung – sofern es sie gibt – für das Messwesen auf der Erde irrelevant seien.

Statt Urkilo ist künftig die Planck-Konstante die Referenz fürs Kilogramm

Um bei der Definition ohne das Urkilogramm auszukommen, haben die Fachleute auf der Generalkonferenz für Maß und Gewicht im November 2018 beschlossen, stattdessen auf die Planck-Konstante zu setzen. Sie repräsentiert die Größe der elektromagnetischen Wirkung. Doch welchen Zahlenwert genau hat sie? Um das zu klären, wurden zwei unterschiedliche Experimente gemacht. Bei dem einen handelt es sich um eine „Wattwaage“. Hier geht es darum, die Gewichtskraft einer Masse mit einer elektromagnetischen Kraft so auszugleichen, dass das Wägeobjekt schwebt. Die elektromagnetische Wirkung wiederum führt zur Planck-Konstante. Entsprechende Messungen wurden am National Institute of Standards and Technology in den USA gemacht. Das andere Experiment nutzte Kugeln aus dem Silizium des Isotops 28Si. Aus einem extrem reinen Silizium-Einkristall, gefertigt am Berliner Institut für Kristallzüchtung, wurden an der PTB möglichst ideal-runde Kugeln mit 93,7 Millimetern Durchmesser geschliffen. Dank der regelmäßigen Anordnung im Kristallgitter lässt sich ermitteln, dass rund 25 Quadrillionen (eine 25 mit 24 Nullen) Atome darin enthalten sind. Aus der Masse der Kugeln und der Anzahl der Atome lässt sich die Masse eines einzelnen 28Si-Atoms bestimmen. In der Welt der Atome gilt die klassische Physik aber nicht mehr, hier wirkt die Quantenmechanik. Mit entsprechenden Gleichungen lässt sich aus der Masse von Atomen und weiteren, gut bekannten Naturkonstanten die Planck-Konstante bestimmen. Und siehe da, beide Experimente lieferten nahezu identische Resultate, der Weg für die Neudefinition des Kilogramms basierend auf der Planck-Konstante war frei.

Es ändert sich - nichts. Außer für Wissenschaft und Hightech-Industrie

„Für die Bürger ändert sich nichts, die Personenwaage zeigt am 20. Mai genauso viel an wie am Vortag“, sagt Simon. Gerade dieser unauffällige Übergang, dass vermieden wurde, eine neue Skala einzuführen, macht ihn stolz. „Für die Wissenschaft und Hightech-Industrie ist die Neudefinition ein großer Gewinn.“ Man könne sich neue Wägetechniken überlegen, die explizit in Milli- oder Mikrogrammbereichen arbeiten und trotzdem hochgenau sind. „Für Metrologen öffnet sich die Pforte zum Paradies“, schwärmt Simon. Es sei keinesfalls ein Selbstzweck der staatlichen Mess-Institute. Sein Argument: Die Hightech-Welt, in der wir leben, erfordert auch Hightech-Messen.

Die Strukturen auf Chips in Smartphones oder Tablets etwa würden immer kleiner, oft seien es nur wenige Nanometer (Millionstel Millimeter) Abstand. „Da muss man bei der Fertigung genau wissen, was man tut und wo man sich befindet, das erfordert sehr präzise Messungen“, sagt er. Ein anderes Beispiel seien optische Atomuhren, die rund 100-mal genauer die Zeit bestimmen können als herkömmliche Atomuhren. Auf Satelliten eingesetzt können diese hochpräzisen Zeitmesser die Genauigkeit bei der Navigation erheblich steigern.

Der Faszination Messen will die PTB gemeinsam mit dem Deutschen Museum in München demnächst eine Ausstellung widmen. Das erste Exponat wird am Montag übergeben, während einer Feier anlässlich der Revolution: Es ist eine der hochreinen und superrunden Siliziumkugeln.

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