Am Stadtrand von Paris, acht Meter unter der Erde in einem klimatisierten Gewölbe, befindet sich ein 143 Jahre alter Zylinder aus Platinlegierung. Mit einer Höhe von nur 39 mm wurde es noch nie von menschlichen Händen berührt. Wie eine zarte russische Puppe ist der Zylinder in drei verschachtelten Glasglocken in einem Raum eingesperrt, der nur mit drei Schlüsseln von drei verschiedenen Personen zugänglich ist. Um das mysteriöse Objekt herum befinden sich „die Zeugen“: sechs „identische“ Zylinder, die aus derselben Platinlegierung gegossen sind.

Obwohl die Erhaltungsbemühungen mit denen des Turiner Grabtuchs konkurrieren, ist der Zylinder kein heiliges religiöses Objekt. Es ist das Internationale Prototyp-Kilogramm (IPK), das einzig wahre Kilogramm, an dem alle anderen gemessen werden. Untergebracht im Pavillon de Breteuil – der Heimat des Internationalen Büros für Maß und Gewicht (BIPM) – wird das IPK bald seinen einzigartigen Status verlieren und zu einem Relikt vergangener Zeiten werden. Es wird dann so urig sein wie das Internationale Prototyp–Messgerät (IPM) – ein Platinlegierungsstab, der ebenfalls am BIPM untergebracht ist -, das bis 1960 als offizielles Messgerät der Welt diente.

Am 16.November 2018 treffen sich Metrologen und politische Entscheidungsträger aus 60 Ländern der Welt auf der General Conference on Weights and Measures (CGPM) in Versailles, Frankreich. Nichts Ungewöhnliches, da das Treffen alle vier Jahre zusammenkommt, um Budgets und Probleme in der Messtechnik zu diskutieren. Aber dieses Treffen wird etwas Besonderes sein. Die Mitgliedstaaten werden darüber abstimmen, ob sie die umfassendste Änderung des Internationalen Einheitensystems (Système International oder SI) seit seiner Einführung im Jahr 1960 annehmen. Es ist eine Änderung, die neue Definitionen des Kelvin enthalten, Ampere und Mol, aber vielleicht am wichtigsten das Kilogramm.

Jeder Mitgliedstaat wird seine Stimme in einem Prozess abgeben, der live online übertragen wird. Wenn die Änderung ratifiziert wird (und alle Anzeichen dafür sprechen), markiert das Ereignis das Ende der Basis von Einheiten auf Objekten – eine Jahrtausende alte Praxis. Es wird auch endlich einen Wunsch erfüllen, der zuerst von James Clerk Maxwell geäußert wurde, der vorhersagte, dass Messstandards irgendwie durch unveränderliche Konstanten der Natur definiert werden könnten.

Ein solides Fundament

Bei einem Treffen der British Association for the Advancement of Science in Liverpool im Jahr 1870 sagte Maxwell den Delegierten: „Wenn … wir Standards für Länge, Zeit und Masse erhalten wollen, die absolut dauerhaft sein sollen, müssen wir sie nicht in den Dimensionen oder der Bewegung oder der Masse unseres Planeten suchen, sondern in der Wellenlänge, der Schwingungsperiode und der absoluten Masse dieser unvergänglichen und unveränderlichen und vollkommen ähnlichen Moleküle.Da Insider auf der BIPM-Sitzung in diesem Monat keinen Hinweis auf ein negatives Ergebnis sehen, kann davon ausgegangen werden, dass die Resolution zur Reform des SI ohne Widerstand verabschiedet wird und Maxwells Wunsch nach “ absolut dauerhaften“ Standards verwirklicht wird. Am 20.Mai 2019 tritt die neue SI dann offiziell in Kraft, genau ein Dutzend Dutzend (144) Jahre nach dem ersten internationalen Vertrag über Maßeinheiten – der Meterkonvention –, der am selben Tag im Jahr 1875 unterzeichnet wurde. Aber warum ist es so wichtig, dass Einheiten auf Naturkonstanten basieren?

Einheiten sind seit mindestens der Zeit der alten Ägypter ein Grundnahrungsmittel der Gesellschaft. Sie verwendeten verschiedene Teile des menschlichen Körpers oder Objekte in ihrer Umgebung als Maßstäbe, um Dinge zu messen. Diese Standards können jedoch von Ort zu Ort sehr unterschiedlich sein. Für Naturphilosophen im Europa des 17. und 18.Jahrhunderts machte es die Variabilität der Einheiten – insbesondere in Länge und Masse – fast unmöglich, Ergebnisse für dasselbe physikalische Phänomen zu vergleichen, wenn es an verschiedenen Orten gemessen worden wäre.Es wurden verschiedene Versuche unternommen, ein universelles Maß zu schaffen, und 1799 führte Frankreich das metrische System ein, das auf zwei Einheiten basiert – dem Meter und dem Kilogramm. Diese beiden Platin-Artefakte, die als Meter der Archive und Kilogramm der Archive bekannt sind, wurden im Archives Nationales in Paris aufbewahrt, um die Einheiten rechtlich und praktisch zu definieren. Diese Standards standen 90 Jahre lang, bis sie durch IPM und IPK ersetzt wurden, die physikalisch härter und besser konstruiert waren.

Universelles Denken

SI-Einheiten haben sich in der Wissenschaft verflochten. Vom energiedefinierenden Joule bis zum Katal zur Messung der katalytischen Aktivität können alle 29 genannten SI-Einheiten durch eine Kombination von nur sieben Basiseinheiten definiert werden: Sekunde, Meter, Kilogramm, Ampere, Kelvin, Mol und Candela. Aber als die Wissenschaft im 20.Jahrhundert immer präziser wurde, erhob sich ein neues Problem. Jede Einheit, die auf etwas basiert – einem Objekt, Experiment oder Phänomen -, das nicht universell ist, wird instabil sein.

Betrachten Sie die zweite. Es ist historisch mit der Revolution der Erde verbunden, die 24 Stunden dauert, wobei eine Stunde 60 Minuten und eine Minute 60 Sekunden beträgt. Aber was passiert, wenn sich die Erde langsamer dreht, als sie es tut, wenn auch nur geringfügig? Ein Tag wird länger sein, was bedeutet, dass eine Sekunde auch real länger sein wird. Es bedeutet, dass ein Auto mit 30 km / h tatsächlich etwas langsamer fährt, eine 30-W-Glühbirne etwas schwächer wird und, noch absurder, das Universum sich mit einer anderen Geschwindigkeit ausdehnt. Wenn jedoch der Begriff und die Dauer einer Sekunde beibehalten werden, aber die Erdrotation aus der Definition entfernt und durch etwas ersetzt wird, das sich niemals ändert, wo und wann immer es im Universum gemessen wird, wird die Sekunde stabil. Dies geschah 1967, als die Sekunde als 9.192.631.770 mal die Periode der Strahlung neu definiert wurde, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinwerten des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms Δν entsprach (siehe „A brief history of time-keeping“ von Helen Margolis).

Später, 1983, wurde auch der Meter neu definiert als die Länge des Weges, den Licht im Vakuum in einem Zeitintervall von 1/299.792.458 Sekunden zurücklegt. Die exquisite Präzision, mit der Wissenschaftler seitdem Zeit und Entfernung messen konnten, kam der Gesellschaft zugute, nicht zuletzt durch die Entwicklung satellitengestützter Ortungssysteme, insbesondere GPS.

Planck zur Rettung

Obwohl es der Gesellschaft 143 Jahre lang gut gedient hat, ist die Definition des Kilogramms in Bezug auf ein einzelnes Objekt eine inhärent instabile Vorstellung. Denn wenn das IPK auch nur um einen winzigen Betrag leichter oder schwerer wird, ändert sich auch die Masse des Universums, ausgedrückt in Kilogramm – eine verrückte Aussage. Beunruhigender ist, dass sich das IPK verändert hat. Als Metrologen es 1988-1991 maßen, hatte das IPK im Durchschnitt eine Masse von etwa 50 µg weniger als die sechs Zeugen. Per Definition bedeutet dies, dass die Zeugen irgendwie eine winzige Menge an Masse gewonnen hatten, vielleicht durch Absorption von Luftmolekülen. Wahrscheinlicher ist jedoch – angesichts der Tatsache, dass auch viele nationale Kopien des Kilogramms an Masse zu gewinnen schienen –, dass das IPK an Masse verloren hatte. Oder vielleicht hatten sie alle Masse gewonnen oder verloren, nur mit unterschiedlichen Raten.

Metrologen sahen von 1991 bis 2014, dem letzten Messzeitpunkt, keine weitere Abweichung zwischen dem IPK und den Zeugen. Aber die Tatsache, dass es keine Drift gab, bedeutete nicht, dass sich die Masse des IPK oder der Zeugen nicht verändert hatte. Sie können einfach verlieren oder gewinnen Masse im Tandem. Und das ist das Problem: Es gibt keine Möglichkeit zu sagen, weil die Masse immer gegen die IPK kalibriert ist.

„Mit dem überarbeiteten SI müssen wir uns keine Sorgen mehr um dieses Zeug machen“, erklärt Richard Davis, ein ehemaliger Leiter der Massenabteilung des BIPM, der jetzt Berater des Büros ist. Anstatt durch die Masse eines Metallzylinders definiert zu werden, basiert das Kilogramm im neuen SI auf einer fundamentalen Konstante der Quantenphysik: die Planck-Konstante.Benannt nach Max Planck, der die Idee entwickelte, dass Energie in kleinen Paketen namens Quanten kommt, bezieht die Planck-Konstante h die Energie eines Quantums elektromagnetischer Strahlung auf seine Frequenz durch die berühmte Formel E = hv. Die Planck-Konstante ist wiederum über Einsteins E = mc2 mit der Masse verbunden. Derzeit hat h einen gemessenen Wert von ungefähr 6,62607 × 10-34 m2 kg s-1, aber Metrologen wollen jetzt seinen Wert in Stein fixieren, wobei das Kilogramm in Bezug auf diesen Wert definiert ist.

Es wird also Abschied nehmen vom IPK, einem physikalisch instabilen Objekt, und Abschied nehmen von der Unsicherheit des Wertes der Planckschen Konstante. „Nach der Neudefinition wird die unerschütterliche Plancksche Konstante auf einen Wert festgelegt, während die Unsicherheit besser auf die Masse des IPK umgeleitet wird“, sagt Stephan Schlamminger, Metrologe vom National Institute of Standards and Technology, USA. „Und mit einer festen Plankenkonstante können bessere Geräte ein Kilogramm immer präziser realisieren.“

Was meinst du

Um mit dem rechten Fuß zu beginnen, ist es wichtig, dass der Wert, bei dem die Plancksche Konstante fixiert ist, so genau wie möglich gemessen wird. Diese Verantwortung beruht auf Messungen aus zwei sehr unterschiedlichen Arten von Experimenten. Die erste davon heißt Kibble Balance, früher Watt Balance genannt, aber jetzt zu Ehren ihres Erfinders Bryan Kibble vom britischen National Physical Laboratory umbenannt, der 2016 starb. Derzeit verfügen nur Frankreich, Kanada und die USA über Kroketten-Waagen, mit denen die zur Festlegung der Planck-Konstante erforderlichen Messungen durchgeführt werden können. Viele andere arbeiten jedoch daran, eigene Salden aufzubauen. Wie eine High-Tech-Waage nutzt die Kroketten-Waage elektromagnetische Kräfte, die von einer in ein Magnetfeld eingetauchten Drahtspule bereitgestellt werden, um eine Kilogramm-Masse auszugleichen. Mit dem Gerät können Messtechniker genaue Werte für Strom und Spannung ermitteln, aus denen die Planck-Konstante abgeleitet werden kann (siehe Kasten unten).

Die Kroketten-Balance

Was ist das? Die Kroketten- (oder Watt-) Waage besteht aus einer kreisförmigen, horizontalen Drahtspule der Länge L, die an einem Arm einer Waage aufgehängt ist. Die Spule befindet sich in einem starken Magnetfeld B, und ein elektrischer Strom I wird durch sie geleitet, wodurch eine Kraft F = BIL erzeugt wird, die so eingestellt werden kann, dass sie dem Gewicht einer Masse entspricht, die sich auf demselben Arm der Waage befindet (mg). Die Masse ergibt sich dann durch m = BIL/g.

Was ist das Problem? Obwohl ich genau gemessen werden kann, ist es schwierig, dasselbe für B und L zu tun.

Also, was ist die Lösung? Metrologen entfernen die Masse und bewegen die Spule mit der Geschwindigkeit u im Magnetfeld, um eine Spannung V = BLu zu erzeugen. Das Gerät wird als Wattbilanz bezeichnet, da durch Neuanordnung der beiden Gleichungen die elektrische Leistung (VI) durch die mechanische Leistung (mgu) ausgeglichen wird. Mit anderen Worten, m = VI / gu. Da u leicht zu messen ist und g (die Erdbeschleunigung) bekannt ist, sind die Probleme bei der Messung von B und L verschwunden.

Aber was ist der Zusammenhang mit der Planck-Konstante, h? Das ist der clevere Teil. Der Strom wird bestimmt, indem er durch einen Widerstand geleitet wird und der Josephson-Effekt verwendet wird, um den resultierenden Spannungsabfall zu messen. Dieser Effekt beschreibt die Tatsache, dass, wenn zwei Supraleiter durch einen dünnen Isolator getrennt sind, Elektronenpaare in jeder Schicht paaren, so dass Mikrowellenstrahlung der Frequenz f eine Spannung über der Schicht von V = hf / 2e erzeugt, wobei e die Ladung auf dem Elektron ist. Der Widerstand des Widerstands kann gemessen werden, weil der Elektronenfluss in 2D-Systemen bei extrem niedrigen Temperaturen quantisiert wird, wobei die Leitfähigkeit um ein Vielfaches von e2 / h zunimmt.

Warum ist das also gut für die Metrologie? Bisher hat eine Kroketten-Waage h in SI-Einheiten gemessen. Wenn jedoch die Definition des Kilogramms geändert wird, wird der numerische Wert von h in Stein gemeißelt, sodass jeder die Waage verwenden kann, um die Masse mit exquisiter Präzision zu messen.

Die zweite Methode zur Messung von h wird als Röntgenkristalldichte (XRCD) oder Avogadro-Experiment bezeichnet. Es handelt sich um einen gleichmäßigen Kristall aus Silizium-28 Atomen, der zu einer fast perfekt runden 1 kg-Kugel bearbeitet wurde. Mit Hilfe der optischen Interferometrie berechnen Metrologen zunächst den Gesamtdurchmesser – und damit das Volumen – der Kugel. Durch die Kombination der optischen Interferometrie mit der Röntgenanalyse können sie dann den Abstand zwischen den Atomen, das Volumen, das jedes Atom einnimmt, und damit die Gesamtzahl der Atome in der Kugel berechnen. Schließlich können sie durch Wiegen der Kugel die Avogadro-Konstante bestimmen. Dieser Ansatz definiert, wie viele Atome oder Moleküle sich in einem Mol einer Substanz befinden – eine Menge, die sich stark von der Masse unterscheidet, die nun das Mol selbst definiert. Eine Gleichung aus der Atomphysik, die die Avogadro- und Planck-Konstanten verknüpft, ermöglicht dann die Erfassung eines genauen Wertes der letzteren.Laboratorien auf der ganzen Welt haben diese beiden verschiedenen Techniken verwendet, um die Planck–Konstante mit außergewöhnlicher Präzision zu messen, um einen endgültigen, vereinbarten Wert von 6.626.070.150 × 10-34 kg m2 s-1 mit einer relativen Unsicherheit von nur 10 Teilen pro Milliarde (2018 Metrologia 55 L13) zu erhalten. Die Avogadro-Konstante wird auf 6,022,140,76 × 1023 mol–1 festgelegt. Und sobald die Planck- und Avogadro-Konstanten festgelegt sind, können die komplexen Experimente, aus denen sie abgeleitet wurden, als Standards für die Messung eines Kilogramms und eines Mols verwendet werden.

Praktische Auswirkungen

Der einfachste Weg, um herauszufinden, wie dies funktionieren wird, besteht darin, die Kroketten-Balance zu berücksichtigen. Bisher wurde es verwendet, um genaue Werte von Strom und Spannung zu messen, die dann in Gleichungen eingefügt werden, um die Planck-Konstante zu erhalten. In Zukunft wird die Planck-Konstante ein fester Wert sein, und dieselben Messungen ergeben stattdessen die Masse auf der Waage. Mit anderen Worten, jeder, der Zugang zu einer Kroketten-Balance hat, kann ein perfektes Kilogramm realisieren. Das gleiche Prinzip wird auch für das Ampere und Kelvin gelten, die in Zukunft in Bezug auf die Ladung eines Elektrons, e, bzw. die Boltzmann-Konstante, k, angegeben werden. Geräte zur präzisen Messung dieser Grundkonstanten werden nun auf den Kopf gestellt, um die Ampere- und Kelvin-Einheiten genau zu realisieren (siehe Kasten unten). Wie für den Meter, Sekunde und Candela, Ihre Definitionen werden optimiert, bleiben aber effektiv unverändert.

Außerhalb der Metrologie wird das neue SI wenig unmittelbare praktische Konsequenzen haben und von den meisten Menschen unbemerkt bleiben. Schließlich können die Einheiten unterschiedlich definiert werden, aber das Ziel ist immer, ihre Größe gleich zu halten. Die Definition von Kilogramm, Kelvin, Ampere und Mol auf völlig neue Weise auf der Grundlage von Naturkonstanten macht sie jedoch invariant, zugänglich und praktisch. Daher können Wissenschaftler sie an jedem Ort und zu jeder Zeit und in jedem Maßstab messen.

„Zum ersten Mal werden wir in der Lage sein, winzige und riesige Mengen mit der gleichen sehr hohen Präzision zu messen, weil die fundamentalen Konstanten sich nicht um eine Skala kümmern“, fügt Schlamminger hinzu. Das ist wichtig. Bevor der Meter neu definiert wurde, konnte die Länge nur sehr genau um einen Meter gemessen werden. Aber seit ihrer Neudefinition haben hochpräzise Anwendungen wie die Mikroelektronik enorm von der Genauigkeit profitiert, mit der sie Entfernungen in winzigen Maßstäben messen können.In ähnlicher Weise wird das neue Kilogramm es ermöglichen, Kilogramm, Gramm und Milligramm mit identischer Präzision zu messen, sogar bis zu dem Punkt, an dem Atommassen in Kilogramm gemessen werden. Solange eine experimentelle Verbindung zur Planck-Konstante besteht, kann die Masse gemessen werden. Daher versuchen Metrologen, Tischkibble-Waagen und neue Geräte zu bauen, die Masse genau in großen und kleinen Maßstäben messen. Die neue Masseneinheit und die SI-Einheiten sind also im Allgemeinen endlich fit für das 21. Wie Schlamminger treffend schließt: „Das neue SI ist eine Konstruktion aus Schönheit und Logik.“

• Weitere Informationen zu den neuen SI-Definitionen finden Sie im kostenlosen E-Book Physics World Discovery Redefining the Kilogram and Other SI Units von Stephan Schlamminger unter www.physicsworlddiscovery.org