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Neudefinition Naturkonstanten werden zum Fundament für alle Maße

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die Sekunde und der Meter beruhen schon auf unveränderlichen Naturkonstanten. Bis 2018 sollen das Kilogramm, das Ampere und die anderen physikalischen Basiseinheiten folgen. Doch warum ist das notwendig?

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Zeit messen: Die Sekunde beruht bereits auf einer unveränderlichen Naturkonstante. Jetzt sollen das Kilogramm, das Ampere und die anderen physikalischen Basiseinheiten folgen.
Zeit messen: Die Sekunde beruht bereits auf einer unveränderlichen Naturkonstante. Jetzt sollen das Kilogramm, das Ampere und die anderen physikalischen Basiseinheiten folgen.
(Ingrid Eulenfan / flickr)

Eine Naturkonstante lässt sich, wie der Name sagt, weder beeinflussen noch räumlich oder zeitlich ändern. In der Physik und den anderen Naturwissenschaften sind sie die Basis für die stoffliche Welt. Doch die Grundlagen, auf die sich die Naturkonstanten bisher beruhten, waren meist weniger konstant. Das Ur-Meter beispielsweise beruhte auf der Länge eines bestimmten Meridianbogens. Doch für Meter und Sekunde gibt es mittlerweile exakte Naturkonstanten als Grundlage.

Grundlegende Neudefinition erforderlich

Physikalische Größen und die definierte Naturkonstante.
Physikalische Größen und die definierte Naturkonstante.
(PTB)
Das Kilogramm, das Ampère und die übrigen physikalischen Basiseinheiten versuchen nun den Anschluss zu schaffen. Das Internationale Einheitensystem steht vor einer grundlegenden Neudefinition: Naturkonstanten sollen in Zukunft für alle sieben Basiseinheiten und für alle abgeleiteten Einheiten als definierende Bezugsgrößen dienen. Anfällige Objekte wie das Ur-Kilogramm oder völlig unpraktische Formulierungen wie für die elektrische Stromstärke werden dann ausgedient haben.

Die experimentellen Vorbereitungen für die neuen Definitionen laufen weltweit auf Hochtouren, speziell in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig. Auf der nächsten Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Jahr 2018 soll die neue Ära voraussichtlich offiziell eingeläutet werden. Den großen Nutzen werden Wissenschaft und Hochtechnologie haben. Der Verbraucher wird die Veränderungen in seinen Alltagsmessungen nicht spüren.

Das Ur-Kilogramm leidet an Masseschwund

Aber warum ist eine exakte Neudefinition notwendig? Wie lang eine Sekunde, wie weit ein Meter und wie schwer ein Kilogramm ist, weiß jeder. In einer Hightech-Welt wollen die Dinge allerdings ein wenig genauer als ungefähr vermessen sein.

Wären alle Definitionen bereits so weit wie heute schon die Zeit- und die Längeneinheit, die Sekunde und der Meter, wäre die metrologische Welt vollständig in Ordnung. Bei der Zeitmessung sind Atomuhren seit knapp 50 Jahren das Maß der Dinge: Aus der Energiestruktur eines Cäsiumatoms lässt sich hier die Sekunde ableiten.

Bei der Längenmessung hat der Urmeterstab auch schon seit Jahrzehnten ausgedient und moderneren Definitionen Platz gemacht. Heute ist der Meter diejenige Strecke, die das Licht in einem ganz gewissen Bruchteil von einer Sekunde zurücklegt.

Mit der Lichtgeschwindigkeit als unveränderlicher Naturkonstante ist diese Definition perfekt. Sie lässt sich, anders als der Urmeterstab, nicht verbiegen, verlängern, verkürzen oder anderweitig verändern.

Ebenso hätten es die Metrologen auch gern bei allen anderen Basiseinheiten, speziell bei Kilogramm und Mol, bei Ampere und Kelvin. Die Situationen bei diesen vier sind stark verbesserungswürdig: Das internationale Ur-Kilogramm und seine nationalen Kopien leiden unter Masseschwankungen und unerklärten Driften.

Die Kelvin-Temperaturskala ist auf Wasser gebaut und der definierende Fixpunkt dieser Skala, der so genannte Tripelpunkt, ist sensibel abhängig von der genauen Isotopenzusammensetzung des verwendeten Wassers. Das Ampere ist über eine idealisierte Versuchsanordnung zweier unendlich langer, unendlich dünner Leiter und deren Kraftwirkung aufeinander definiert. Das ist ein Anachronismus vor allem im Vergleich zu den Einheiten für die elektrische Spannung und den elektrischen Widerstand, die sich auf Quanteneffekte stützen.

Beziehung zwischen Basiseinheit und Naturkonstante

Dieser Zustand bei einigen der Basiseinheiten quält die Metrologen schon seit Jahren und ist damit zugleich enormer Ansporn, nach Lösungen zu suchen. Wie bei Sekunde und Meter könnten Naturkonstanten alles zum Guten wenden. Sobald eine Beziehung zwischen einer Basiseinheit und einer Naturkonstante gefunden ist, kann die alte Definition zu den Akten gelegt werden.

Allerdings muss die Naturkonstante mit hinreichend guter Genauigkeit bekannt definiert sein. In den Laboratorien der Nationalen Metrologieinstitute (NMI) laufen daher Experimente zur Messung dieser ausgewählten Naturkonstanten. Und mittlerweile sind die Ergebnisse so vielversprechend, dass das Internationale Komitee für Maß und Gewicht auf seiner letzten Generalkonferenz im November 2014 eindeutige Resolutionen für ein neues Einheitensystem verabschiedet hat: Aller Voraussicht nach werden die neuen Definitionen bei der nächsten Generalkonferenz im Jahr 2018 in Kraft treten und damit für alle 55 Mitglieds- und 41 assoziierten Staaten der Meterkonvention verbindlich.

Die verbleibende Zeit bis zur nächsten Generalkonferenz wird nun in allen großen NMI dazu genutzt, die neuen Definitionen experimentell vorzubereiten. In der PTB sind dabei alle Basiseinheiten ein heißes Forschungsobjekt: Die PTB-Ergebnisse bei der Messung der Naturkonstanten für das neue Kilogramm (Planck-Konstante), das neue Mol (Avogadro-Konstante) und das neue Kelvin (Boltzmann-Konstante) sowie die Realisierung des neuen Ampere (Elementarladungen pro Sekunde) sind Schlüsselergebnisse für die Neudefinitionen.

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