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Astronomie+Physik

Eine Revolution der Definition

Wesentlich für die exakte Bestimmung des Kilogramms sind Kugeln aus reinem Silizium. (Bild: Physikalisch-Technische Bundesanstalt)

Es war ein naturwissenschaftlicher Paukenschlag: Am 16. November 2018 hat die Generalkonferenz für Maß und Gewicht in Versailles festgelegt, dass Kilogramm, Kelvin und Ampere zukünftig auf Naturkonstanten basieren werden. In der Mai-Ausgabe berichtet bild der wissenschaft ausführlich über die Hintergründe und die Bedeutung dieser grundlegenden Neujustierung.

Wie der bdw-Autor Frank Grotelüschen in der Einleitung des Titelthemas verdeutlicht, ist es fast erstaunlich, dass die Neudefinition von Kilogramm, Kelvin und Ampere so lange auf sich warten ließ. Denn bisher basierten diese Einheiten auf ausgesprochen verstaubt und vage wirkenden Definitionen, die auf historische Entwicklungen zurückgehen. Grotelüschen wirft zunächst einen Blick auf diese interessante Geschichte des Einheitensystems, das nun erneut ein wichtiges Update erhalten hat.

Wie es bei Meter und Sekunde schon lange der Fall ist, werden nun auch Kilogramm, Kelvin und Ampere durch die unveränderlichen Größen von Naturkonstanten festgelegt. Diese Justierung aller Basiseinheiten liefert ein präzises Maß aller Dinge, was in unserer zunehmend globalisierten Welt besonders wichtig ist, geht aus dem Titelthema hervor. In Kraft treten werden die neuen Definitionen am 20. Mai 2019 – dem Weltmetrologietag.

Neue Fundamente für drei Einheiten

Im Teilartikel „Extrempolitur und Laserlineal“ geht Grotelüschen genauer darauf ein, wie die Fachwelt zum neuen Maß der Massen gekommen ist. Bisher war das 1889 angefertigte Urkilogramm in Paris die Referenz. Nun wird die Kilogramm-Definition auf das Fundament der Planck-Konstante gestellt. Dazu waren jahrelange Experimente mit extrem reinen Silizium-Kugeln und hochempfindlichen Spezialwaagen nötig, berichtet der Autor.

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Auf die Hintergründe der Umstellung der beiden anderen Einheiten geht Grotelüschen ebenso genauer ein. Im Fall der Temperatur wird die Einheit Kelvin nun auf die Boltzmann-Konstante zurückgeführt. Sie setzt die Temperatur eines Gases mit der Bewegungsenergie der Gasmoleküle in Beziehung. Bisher wurde das Kelvin hingegen durch den sogenannten Tripelpunkt des Wassers definiert. Das ist der Zustand nahe dem Gefrierpunkt, bei dem Wasser fest, flüssig und gasförmig zugleich ist.

Die Einheit der Stromstärke war bisher über die Kraft definiert, die zwei unendlich lange, parallel verlaufende Drähte aufeinander ausüben. Jetzt ist das Ampere auf die Naturkonstante der Elementarladung bezogen. Konkret ist es nun durch den Stromfluss von weit über einer Trillion Elektronen pro Sekunde definiert.

Abgerundet wird das Titelthema von einem Artikel von Rüdiger Vaas, in dem sich der Physik- und Astronomie-Redakteur von bild der wissenschaft mit der Bedeutung der Umwälzung im Einheitensystem beschäftigt. Demnach hat die Revision etwa auch die Konsequenz, dass die Schul- und Lehrbücher der Physik umgeschrieben werden müssen. Wie der Autor zudem erklärt, gibt es noch immer knifflige Themen bei den Definitionen: Die Schwerkraft macht noch Probleme und die Sekunde wird wohl bald wieder revidiert, schreibt Vaas.

Die Artikel des Titelthemas „Die neue Vermessung der Welt“ finden Sie in der Mai-Ausgabe von bild der wissenschaft, die ab dem 16. April im Handel erhältlich ist.

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