bedeckt München 17°
vgwortpixel

Physik:Gewichtiges Atome-Zählen

Wie viel ein Kilogramm ist, entscheidet seit dem Jahre 1889 ein Block aus aus Platin und Iridium. Physiker fordern nun eine neue Definition - und zählen die Atome in einem Kilogramm Silizium.

Runder als diese Kristallkugel ist kein Gegenstand auf der Welt. Zwar misst sie nur knapp zehn Zentimeter im Durchmesser - würde man sie aber auf die Größe der Erde aufblasen, wären die höchsten Erhebungen keine zwei Meter hoch.

Kilogramm Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Wissenschaftler der Braunschweiger Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) versuchen mit einem Kugelexperiment, das Kilogramm durch die Anzahl von Atomen einer bestimmten Sorte festzulegen. Dazu sollen im Rahmen des Avogadro Projekts die Atome einer ein Kilogramm schweren Kugel aus Silizium abgezählt werden.

(Foto: AFP)

Dieser nahezu perfekte geometrische Körper befindet sich im Labor der Braunschweiger Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Sie ist dort in den Händen von Metrologen, Wissenschaftlern also, die sich mit dem Messen befassen. In diesem Fall arbeiten sie an einer neuen Festlegung des Kilogramms.

Die derzeit gültige Definition der Maßeinheit von Masse sollte ihrer Ansicht nach so schnell wie möglich der Vergangenheit angehören. Als einzige der sieben Basiseinheiten der Physik wird das Kilogramm nämlich noch immer, so wie es im 19. Jahrhundert eingeführt wurde, mit einem realen Gegenstand definiert: einem Zylinder aus Platin und Iridium, 39 Millimeter hoch und 39 Millimeter im Durchmesser, der im Keller des Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) nahe Paris aufbewahrt wird.

Ein Kilogramm ist per Definition die Masse dieses Gewichtsstücks. Waagen in aller Welt werden anhand von möglichst exakten Kopien dieses Prototyps geeicht, die sich im Besitz der nationalen metrologischen Institute befinden, in Deutschland ist das die PTB. Ginge das Urkilogramm von Paris verloren, so kämen die Menschen im Alltag zwar weiterhin zurecht, doch die Physik stünde vor einem Scherbenhaufen. Denn es gäbe keine Definition für das Kilogramm mehr. Auf Dauer würde es Unterschiede geben, ein Kilo in Deutschland wäre dann vielleicht ein bisschen weniger als in Japan.

Um das zu verhindern, wird das Urkilogramm nur selten aus seinem Safe geholt, wo es unter mehreren Glashauben steht. Nur zweimal geschah dies seit Inkrafttreten der Kilogramm-Definition im Jahr 1889 - um die Übereinstimmung mit seinen Doppelgängern aus aller Welt zu überprüfen und "alles wieder in Harmonie zu bringen", wie Richard Davis sagt, der mehr als 20 Jahre lang Hüter des Urkilogramms war. Dabei zeigte sich: Die Masse fast aller der etwa 40 Kopien hat im Lauf der Jahre im Vergleich zum Pariser Prototyp zugenommen, wenn auch nur um die Winzigkeit von einigen Millionstel Gramm.

Warum das Urkilogramm im Vergleich leichter zu werden scheint, weiß derzeit niemand. Da das Urkilogramm das Kilogramm definiert, ist unklar, ob der Prototyp Masse verliert, oder die Kopien zunehmen.

Für wahrscheinlich halten die meisten Metrologen, dass alle Kilogrammstücke Material eingebüßt haben, und der Prototyp am meisten. Im Verdacht steht Wasserstoff-Gas, das bei der Herstellung in der Legierung eingeschlossen worden ist, und seither entweicht. Immerhin versieht das Metallstück seit mehr als 100 Jahren seinen Dienst, und die Herstellungsverfahren waren damals weniger ausgereift als heute. Die ältesten Zylinder sollten demnach die anfälligsten sein.

Andere Wissenschaftler favorisieren die Theorie, nach der die Kilogrammstücke trotz allen Putzens beim Gebrauch Material ansammeln. Je häufiger ein Zylinder zu Vergleichsmessungen benutzt wird, desto schwerer müsste er also sein. Das selten benutzte Urkilogramm sollte demnach weitgehend verschont geblieben sein.

Ob das Rätsel je gelöst wird, ist unklar. "Man macht keine Experimente mit Prototypen", sagt Michael Gläser. Schließlich birgt jedes Hantieren die Gefahr einer Beschädigung. Die Chancen auf eine Klärung werden daher steigen, wenn das Kilogramm so wie die anderen Maßeinheiten auch, etwa der Meter oder die Sekunde, völlig anders definiert wird: über ein objektives Messverfahren, das keinen schwindsüchtigen Metallblock aus dem 19. Jahrhundert mehr braucht.

Ein Meter beispielsweise ist seit 1983 als Länge der Strecke definiert, die Licht im Vakuum während einer 299.792.458stel-Sekunde durchläuft. Die Lichtgeschwindigkeit ist seither als Naturkonstante, nämlich 299.792.458 Meter pro Sekunde definiert. Maßeinheiten gehen somit aus unveränderlichen Naturkonstanten hervor, die - zumindest theoretisch - jederzeit an jedem Ort der Welt reproduziert werden können.

  • Themen in diesem Artikel: