Die aktuelle Definition des Kilogramms ist umstritten. Die Masseneinheit lässt sich nämlich noch nicht mit Naturkonstanten – den seit langen bekannten Zahlen, die die Physik regieren – beschreiben. Internationale Forscherteams arbeiten an einer Lösung des Problems.
Ein altes Eichmaß-Kilogramm aus Platinum. Foto:flickr.com/photos/franciscojgonzalez. Teaserbild: Dieter Schütz / pixelio.de.
Was besitzen die Franzosen, das jeder haben möchte? Charme, Eleganz, besondere Fähigkeiten als Liebhaber? Nein! Sie besitzen eine Sache, ohne die weder Handel noch Physik funktionieren würden: das Urkilogramm. Seit 1889 liegt dieser aus Platinum und Iridium gefertigte Prototyp, der festlegt, wie schwer ein Kilogramm ist, im Pavillon de Breteuil in Sèvres bei Paris, dem Sitz des Internationalen Büros für Maß und Gewicht (BIPM). Andere Länder besitzen nur Kopien. Das Kilogramm ist eine Ausnahme unter den sieben Maßeinheiten, die das gemeinsame internationale Einheitensystem – SI, von französisch „système international d’unités“ – ausmachen. Dazu gehören Meter, Kilogramm, Sekunde, Ampere, Kelvin, Mol und Candela.
Seit 1960 definieren Wissenschaftler der Metrologie, der physikalischen Disziplin, die sich mit Maßeinheiten beschäftigt, jede Einheit genau, um sie universell zu machen. Die Einheit der Masse ist die einzige, die von einem menschlichen Produkt – dem Urkilo – abhängt, und noch nicht auf einer physikalischen Konstante basiert. Diese grundlegenden Naturkonstanten, zum Beispiel die Lichtgeschwindigkeit und die Gravitationskonstante, haben einen festen und unter Wissenschaftlern anerkannten Wert.
Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), die in Deutschland für die Metrologie verantwortlich ist, definiert das Kilogramm so:
Das Kilogramm ist die Einheit der Masse; es ist gleich der Masse des Internationalen Kilogrammprototyps.
Im Vergleich dazu klingen die anderen Definitionen schicker. Zum Beispiel basiert der Meter auf der Lichtgeschwindigkeit:
Der Meter ist die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum während der Dauer von 1/299 792 458 Sekunden durchläuft.
Die neue Definition des Kilogramms ist für Metrologen seit Jahren quasi die Suche nach dem heiligen Gral. Zwei Forschungseinrichtungen liegen derzeit vorne im Rennen, um das Gewicht neu zu definieren und das Urkilogramm überflüssig zu machen: das National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersburg, USA, mit seiner Watt-Waage und die deutsche PTB mit ihrer Silikon Kugel. Ihre Methoden sind dabei vollkommen unterschiedlich.
Zwei unterschiedliche Methoden
Die Watt-Waage des NIST. Foto:flickr.com/photos/usnistgov
In den Vereinigten Staaten möchte das Team „Watt-Balance“ das Kilogramm mit dem Planckschen Wirkungsquantum, h, verknüpfen. Diese Naturkonstante erlaubt es in der Regel, die Energie des Lichtes zu messen. Die Forscher setzen daneben noch zwei weitere physikalische Größen ein: die Spannung und den Widerstand. Das Team versucht zuerst, mit Hilfe einer extrem präzisen Waage die Gewichtskraft eines Kilogrammprototyps auszubalancieren. Sie benutzen dafür aber kein Gewicht sondern eine Magnetspule, die dank des elektrischen Stroms ein Magnetfeld und eine elektromagnetische Kraft produziert. Dann hebt das Team die Spule in einem gleichwertigen Magnetfeld hoch und misst die erzeugte Spannung. Durch das Messen der Stromstärke und der Spannung kann man m, die Masse, neu beschreiben.
In Deutschland zählt ein Team der PTB die Atome in einer Ein-Kilogramm-Silikonkugel. Das Ziel ist es, die Avogadro-Konstante, NA, genauer zu definieren. Bei dieser Konstante handelt es sich um die Anzahl von Atomen in einer bestimmten Menge von Materie. Die Forscher wählten als Material Silikon wegen seiner kristallinen Struktur und seines hohen Reinheitsniveaus. Die Forscher messen nun das Gitter der Kristallstruktur. Man weiß bereits, dass jeder Kristall acht Atome enthält. Zudem ermitteln die Forscher auch das präzise Volumen der Kugel. Mithilfe von weiteren Werten wollen die deutschen Wissenschaftler die Anzahl von Atomen in der Ein-Kilo-Silikonkugel genau zählen, und sie mit dem Kilogramm verbinden.
Die neue Definition braucht Zeit
Ohne Urkilogramm funktioniert weder Zunehmen noch Abnehmen. Foto:flickr.com/photos/nicodeux
Wie wird das Kilogramm neu definiert? Mit der amerikanischen oder der deutschen Methode? Eine eindeutige Antwort gibt es nicht. „Es wird voraussichtlich keine Definition geben, die sich explizit auf ein bestimmtes Experiment bezieht. Die neue Kilogrammdefinition wird auf unterschiedlichen Wegen realisiert werden können“, stellt Michael Borys, der Leiter der Arbeitsgruppe Darstellung Masse bei der PTB, klar.
Im Juni 2013 gab das internationale Komitee für Maß und Gewicht bekannt, die neue Definition der Masse könnte im Jahr 2018 fertig sein. Aber wichtiger ist es, dass die Experimente eine ausreichende Präzision erreichen, und nicht voneinander abweichen. Borys: „ Die bisherige Kilogrammdefinition hat sich bewährt und wird bislang allen praktischen Anforderungen gerecht. Wir stehen hier nicht unter Zeitdruck. Entscheidend ist, dass die zukünftigen Realisierungen einer neuen Definition auf einer soliden experimentellen Basis stehen.“ Schließlich entscheidet das Kilogramm darüber, ob wir die richtige Menge Kartoffeln für unseren Salat kaufen und ob eine Diät erfolgreich ist oder nicht.
