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Masse Internationaler Prototyp Ur-Kilogramm in Paris Bureau International des Poids et Mesures (BIPM)

Zylinder aus Platin und Iridium: Das Ur-Kilogramm steht, geschützt von drei Glasglocken, in einem Tresor im Pariser Vorort Sèvres.  Bild: BIPM.org

Das Ur-Kilo hat ausgedient – es lebe das neue Kilogramm!



Wie schwer ist ein Kilogramm? Was widersinnig klingt, ist in der Tat eine sehr berechtigte Frage. Eine Frage, über die sich Fachleute schon seit Jahren den Kopf zerbrechen. Die Sache ist nämlich die: Noch gilt zwar ein Zylinder aus Platin-Iridium im Internationalen Büro für Mass und Gewicht (BIPM) im Pariser Vorort Sèvres als das Mass aller Dinge – soweit sie das Kilogramm betreffen.

Aber das sorgsam unter drei Glasglocken in einem Tresor verwahrte Metallstück, 39 Millimeter Höhe auf 39 Millimeter Durchmesser, ist nicht mehr zeitgemäss. Das sogenannte Ur-Kilogramm definiert die Masseinheit der Masse nun schon seit 129 Jahren. Es ist allerdings nicht das Alter des Zylinders, das die Metrologen – jene Zunft der Wissenschaftler, die sich mit dem Messen befasst – betrübt.

Der Physiker Henri Baumann entfernt die Glashaube ueber dem Ur-Kilogramm der Schweiz, am Freitag, 16. November 2018 im Eidgenoessischen Institut fuer Metrologie METAS in Koeniz bei Bern. Das Ur-Kilogramm besteht aus Platiniridium, 90 Prozent Platin, 10 Prozent Iridium. (KEYSTONE/Peter Klaunzer)

Die Schweizer Kopie des Ur-Kilogramms steht im Eidgenössischen Institut für Metrologie Metas.  Bild: KEYSTONE

Vielmehr sind es zwei Dinge: Zum einen schrumpft das Ur-Kilogramm. Im Laufe der Jahre ist es um einige dutzend Mikrogramm leichter geworden, wie Vergleichsmessungen mit Kopien des Ur-Kilogramms zeigen. Zum andern ist es der Umstand, dass die anderen Basis-Masseinheiten des internationalen Einheitensystems (SI) durch Bezug auf Naturkonstanten definiert sind. Deshalb können sie durch Laborexperimente hergestellt und weitergegeben werden – und sind überall auf der Welt nachprüfbar. Das soll nun endlich auch bei der Masse möglich werden. 

Heute, am 16. November 2018, wird das System des Messens auf der Generalkonferenz für Mass und Gewicht neu geordnet. Wissenschaftler aus 60 Ländern haben über ein neues Einheitensystem abgestimmt – denn die Neudefinition des Kilogramms berührt auch die Definition von Ampere (Stromstärke) und Mol (chemische Stoffmenge). Auch die bestehende Definition der Basis-Einheit für Temperatur – also des Kelvins – wird dabei angepasst

Eine vergoldete Stele steht vor dem Eidgenoessischen Institut fuer Metrologie METAS, am Freitag, 16. November 2018 in Koeniz bei Bern. (KEYSTONE/Peter Klaunzer)

Das Metas in Köniz.  Bild: KEYSTONE

Das Ur-Kilogramm hat also ausgedient; am 20. Mai 2019 – dem Weltmetrologietag – soll das neue Einheitensystem in Kraft treten. Die Einheiten für Zeit (Sekunde), Distanz (Meter) und Lichtintensität (Candela) sind bereits über Naturkonstanten definiert. Solche Naturkonstanten sind beispielsweise die Lichtgeschwindigkeit (c), die Ladung eines Elektrons (e) oder das sogenannte Plancksche Wirkungsquantum (h).

Die Planck-Konstante beschreibt das Verhältnis von Energie und Frequenz eines Photons; ihre Einheit setzt sich aus Meter, Sekunde und Kilogramm zusammen. Da Meter und Sekunde bereits über Naturkonstanten definiert sind, lässt sich über die Planck-Konstante auch das Kilogramm ableiten. 

epa04491665 A picture made available on 16 November 2014 shows Scientist Arnold Nicolaus holding a silicon sphere which weighs exactly one kilogram as he is reflected on it, at the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB, physical and technical federal institute) in Braunschweig, Germany, 05 November 2014. Scientists of the PTB used the balls in an international project to redefine the prototype kilogram.  EPA/JULIAN STRATENSCHULTE

Perfekte Kugel: Das Avogadro-Projekt will das Kilogramm über die Masse von Siliziumatomen bestimmen.  Bild: EPA/DPA

Zur exakten Bestimmung der Planck-Konstante gibt es zwei Verfahren, die künftig den metrologischen Instituten der Länder zur Verfügung stehen, um die Masse des Kilogramms zu bestimmen. Die eine Methode nutzt die Masse von Siliziumatomen als Ausgangspunkt, die andere, die auch am Eidgenössischen Institut für Metrologie Metas zum Einsatz kommt, beruht auf der Watt-Waage, einem hochkomplexen Messinstrument. 

Die Watt-Waage arbeitet mit einem präzisen Vergleich von mechanischer und elektrischer Leistung, der das Kilogramm über elektrische Einheiten mit der Planckschen Konstante in Beziehung setzt. Auf einer Seite der Watt-Waage befindet sich ein Gewicht von einem Kilo und auf der anderen eine Spule, durch die Strom fliesst. Das daraus entstehende Magnetfeld zieht die Spule nach unten. Gemessen wird dann die Spannung und Stromstärke, die nötig ist, um die Waage im Gleichgewicht zu halten. Dabei müssen winzigste Einflüsse von aussen berücksichtigt werden – beim Metas beispielsweise der Pegel der nahen Aare. 

Der Physiker Henri Baumann arbeitet an der Wattwaage in einem Labor, am Freitag, 16. November 2018 im Eidgenoessischen Institut fuer Metrologie METAS in Koeniz bei Bern. Die Wattwaage erlaubt die Realisierung des Kilogramms. (KEYSTONE/Peter Klaunzer)

Komplizierte Apparatur: Watt-Waage im Metas. Bild: KEYSTONE

Angesichts derart extremer Feinheiten der Justierung ist evident, dass sich für die Normalsterblichen ausserhalb der naturwissenschaftlichen Gemeinde in der Praxis nichts ändern wird – eine neue Waage wird deshalb niemand kaufen müssen. Das heisst allerdings keineswegs, dass die Neudefinition eine rein akademische Übung ist, die sich auf unseren Alltag nicht auswirken wird. 

Verbesserte Einheiten erlauben genauere Messungen. Sie sind damit eine Voraussetzung für wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt. Wissenschaften, in denen präzise Berechnungen notwendig sind, werden davon profitieren. Im Alltag nutzen wir bereits Anwendungen wie das GPS, die ohne präzise Messungen mithilfe von modernen Atomuhren nicht denkbar wären. Auch wenn die Sekunde sich durch ihre Neudefinition 1967 für uns nicht wahrnehmbar verändert hat, hat sich unsere Lebenswelt dadurch deutlich verändert. 

(Mit Material der Nachrichtenagentur SDA)

Der Physiker Henri Baumann arbeitet an der Wattwaage in einem Labor, am Freitag, 16. November 2018 im Eidgenoessischen Institut fuer Metrologie METAS in Koeniz bei Bern. Die Wattwaage erlaubt die Realisierung des Kilogramms. (KEYSTONE/Peter Klaunzer)

Watt-Waage: Winzigste Einflüsse von aussen müssen berücksichtigt werden.  Bild: KEYSTONE

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    Alle Leser-Kommentare
  • Tooto 17.11.2018 16:15
    Highlight Highlight Ah man, habe mich schon gefreut es kommt eine neue Masseinheit, damit ich spärer mal sagen kann „Früher, zu Kilos Zeiten“.
    Schade!
  • bikobeko 17.11.2018 10:57
    Highlight Highlight Warum muss der Pegel der Aare miteinbezogen werden? Hat der einen relevanten Einfluss auf das Gravitationsfeld?
  • Urs-77 17.11.2018 08:09
    Highlight Highlight „Auf einer Seite der Watt-Waage befindet sich ein Gewicht von einem Kilo und auf der anderen eine Spule, durch die Strom fliesst.“

    Wie weiss man denn nun ob das Gewicht von einem Kilogramm tatsächlich 1kg ist?

    Ein sehr spannender Artikel, es bleiben für mich jedoch Fragen offen.
    Wahrscheinlich bin ich ganz einfach zu ungebildet um die Funktion zu verstehen.
    • Blitzmagnet 17.11.2018 10:02
      Highlight Highlight Haben sie auch nicht erklärt.
      Das ist der Clou daran: Es wird dadurch neu definiert. Also kann theoretisch jeder mit präzisen Messinstrumenten das Kilogramm nachmessen und selber ein Referenzsystem reproduzieren
    • Sorbitolith 17.11.2018 11:50
      Highlight Highlight 1kg Kilogramm ist die Einheit der Masse, nicht des Gewichts...
  • Siebenstein 17.11.2018 03:55
    Highlight Highlight Ich würde mich da anbieten, meine Kilos schrumpfen unter Garantie nicht! 👍😂
  • Leopold der Grösste 17.11.2018 02:41
    Highlight Highlight Den Wert der abstrakten Wissenschaft aufgezeigt, kein Selbstverständnis in alternative facts Zeiten.
  • Skater88 16.11.2018 23:31
    Highlight Highlight Cooler Bericht. Mich würde da mal noch interessieren, wenns schon zur Sprache kommt, wie funktionieren Atomuhren 🤔
    • Kong 17.11.2018 00:02
      Highlight Highlight http://www.atomuhr-infos.de/
    • Joe Smith 17.11.2018 00:06
      Highlight Highlight Grob vereinfacht: Man erzeugt mit einem Oszillator ein ein elektromagnetisches Wechselfeld und setzt geeignete Atome (meist Cäsium) hinein. Wenn die Frequenz des Wechselfeldes genau der Frequenz eines Übergangs zwischen zwei bestimmten Energiezuständen des Atoms entspricht, dann absorbiert das Atom Energie, was die Elektronik des Oszillators merkt. Damit kann man den Oszillator hochgenau auf eine bestimmte Frequenz einstellen. Diese kann man dann weiterverarbeiten, genau so wie es das Quarzuhrwerk jeder Swatch macht, nur ist die Ausgangsfrequenz viel (sehr viel!) genauer.
    • Blitzmagnet 17.11.2018 10:00
    Weitere Antworten anzeigen
  • bfm 16.11.2018 21:52
    Highlight Highlight Wenn das Kilo schon neu definiert wird, dann aber bitte auch richtig: 1 neues Kilo entspricht 1.25 alten Kilos; neue Badezimmerwaage kaufen und: hurra! Gewicht entspricht endlich mal dem BMI!!!
  • Phipsli 16.11.2018 21:41
    Highlight Highlight Das Metas liegt in Wabern, gehört aber zur Gemeinde Köniz, so als kleine Randnotiz.
    Danke für den Interessanten Artikel.
  • yey 16.11.2018 20:29
    Highlight Highlight Schön, die Materialauflistung am Ende - wie bei den alten Asterix.

    Allerdings unvollständig: Es fehlen zwei Sixpack Quöllfrisch aus dem Coop

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