Die Geschichte des Messens: Es ging drunter und drüber

Wir bestimmen Wärme und Kälte in Grad Celsius, im englischen Sprachraum in Fahrenheit. Die Geschichte des Messens war bewegt. Und bis heute strebt man nach noch mehr Präzision.

Rolf App
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Fahrenheit und Celsius auf demselben Thermometer. Was nur wenige wissen: Bei Celsius stand zunächst alles kopf. Bild: Davis Hansom/Getty

Fahrenheit und Celsius auf demselben Thermometer. Was nur wenige wissen: Bei Celsius stand zunächst alles kopf. Bild: Davis Hansom/Getty

Wenn man einmal tot ist, hat man nichts mehr zu sagen – auch in der Wissenschaft. Der Fall von Anders Celsius zeigt dies deutlich. Der Schwede, 1701 geboren, wurde 1730 Professor für Astronomie im heimischen Uppsala. 1740 übernahm er dort die Leitung der Sternwarte und starb 1744. Der Erdmagnetismus beschäftigte ihn, und 1736 nahm er an einer Expedition nach Lappland teil. Seine dort ausgeführten Messungen bewiesen, dass die Erde zu den Polen hin abgeplattet ist.

Celsius’ Skala musste korrigiert werden

Der Begriff, mit dem wir Celsius bis heute in Verbindung bringen, ist Messen. Temperaturen geben wir in Grad Celsius an. Allerdings stimmt es nicht, was wir vor mehreren Wochen auf einer «Wissen»-Seite zum Thema Kälte geschrieben haben. Franz Zimmermann aus Buochs, der gerade an einem Buch über die Geschichte des Messens arbeitet, hat uns dar­auf aufmerksam gemacht. Anders Celsius hat auf seiner Skala den Gefrierpunkt des Wassers nicht auf 0 Grad gesetzt und den Siedepunkt nicht auf 100 Grad. Er machte es genau umgekehrt. Bei ihm kochte Wasser bei 0 Grad und gefror bei 100 Grad.

«Vielleicht ging Celsius davon aus, dass Temperaturen über dem Siedepunkt von Wasser in der Physik nie eine Rolle spielen würden, Temperaturen aber durchaus unter den Gefrierpunkt fallen können», mutmasst Zimmermann. Die Celsius-Skala wäre demzufolge nach unten offen gewesen, was ihr Erfinder offenbar vermeiden wollte. Also legte Celsius fest, dass wir nach oben zählen, wenn es kälter wird, und bei Hitze über damaligen 0 Grad Negativzeichen verwenden.

Das aber hat schon seinen Zeitgenossen nicht eingeleuchtet. Der Naturforscher Carl von Linné hat deshalb nach dem Tod seines Freundes Celsius die Skala kurzerhand umgedreht – so, wie wir sie heute kennen.

Das Messen ist der Schlüssel zur Natur. Die ersten Masseinheiten orientierten sich am Finger, an der Handspanne, der Elle oder der Spannweite der Arme, und «die Zeiteinheit der Sekunde liegt in der Nähe unseres Pulsschlags», stellte der von Michel Serres und Nayla Farouki herausgegebene «Thesaurus der exakten Wissenschaften» fest. Getreu jener Devise, die schon 420 vor Christus der Grieche Protagoras formuliert hat: «Der Mensch ist das Mass aller Dinge.»

Réaumurs Skala starb aus – aber nicht ganz

Wie man Temperaturen messen könnte, dazu machte sich zu Beginn des 17. Jahrhunderts Galileo Galilei Gedanken. Damals wusste man bereits, dass Stoffe sich ausdehnen, wenn sie erwärmt werden – und am Ende in einen gasförmigen Zustand übergehen. Galilei entwickelte etwas Ähnliches wie ein Thermometer, verwendete als Medium aber Luft. Später wechselte man auf Weingeist, dann auf Quecksilber. Alkohol wird bei –114,5 Grad flüssig und siedet bei +78,3 Grad. Bei Quecksilber liegen die entsprechenden Werte bei –39 Grad (Schmelzpunkt) und +357 Grad (Siedepunkt).

Allerdings macht das passende Medium noch nicht die Temperaturmessung aus. Sie wird erst möglich, wenn Wissenschafter über eine allgemein anerkannte Skala verfügen – eben das, was unter anderem Celsius anstrebte. Noch vor ihm stellte der Franzose René Antoine Ferchault de Réaumur ein Thermometer her, wie wir es heute kennen. Allerdings mit einem nach oben offenen Glaszylinder, was gerade Alkohol rasch verdampfen lässt.

Seine Skala zerlegte Réaumur in 80 Teile. Der Eispunkt liegt bei 0, der Siedepunkt bei 80 Grad. Was heute nicht mehr von Belang ist. Denn die Einheit Réaumur ist, wie Franz Zimmermann feststellt, «offiziell ausgestorben». Und lebt inoffiziell doch wei- ter: «Alpkäsehersteller in der Schweiz und in Italien verwenden teils heute noch Grad Réaumur.»

Was ist die Wärme: Ein Stoff – oder ein Zustand?

Mehr Erfolg mit seiner Temperaturskala war Daniel Gabriel Fahrenheit beschieden. Der 1686 in Danzig geborene Glasbläser und Instrumentenbauer experimentierte zuerst mit Alkohol, ab 1718 dann mit Quecksilber. Und er verschloss den Glaszylinder.

Bei der Wahl seiner Skala wollte der Deutsche vielleicht wie Celsius negative Werte vermeiden, deshalb wählte er als Nullpunkt eine Mischung aus Wasser, Salmiak und Eis, deren Temperatur bei –32 Grad Celsius liegt. Unsere Körpertemperatur (36 Grad Celsius) liegt bei 96 Grad Fahrenheit, der Dampfpunkt des Wassers bei 212 Grad. Verbreitung gefunden hat diese Skala in den englisch- und niederländischsprechenden Ländern.

Dann herrscht mehr als 100 Jahre lang Ruhe, bis sich in der Mitte des 19. Jahrhunderts der Engländer William Thomson Gedanken darüber machte, was Wärme eigentlich ist. Ist sie ein Zustand, oder ist sie ein Stoff?

Thomson, der 1892 als Lord Kelvin in den Adelsstand erhoben wurde, arbeitete an einer Theorie der Dampfmaschinen. Er teilte zunächst die Ansicht des Franzosen Sadi Carnot, dass Wärme eine Substanz sei. Dann erkannte er, dass «Wärme keine Substanz, sondern ein Zustand der Bewegung» ist. Dort, wo diese Bewegung der Moleküle zum Stillstand kommt, setzte Lord Kelvin den Nullpunkt seiner Temperatur­skala an. Das ist bei –273,15 Grad Celsius. Kelvin schaffte, was vielleicht schon Celsius und Fahrenheit angestrebt hatten: Es gibt keine negativen Zahlenwerte mehr.

Kelvin und Kilo werden neu bestimmt

Übrigens ist auch die Temperaturmessung sehr viel raffinierter geworden. Infrarotthermometer messen die elektromagnetische Eigenstrahlung und könnten Temperaturen bis hinab zum absoluten Nullpunkt registrieren. Auch in der Gewichtsmessung zeichnet sich ein tiefgreifender Wandel ab. Das beim «Internationalen Büro für Mass und Gewicht» in Paris gelagerte Urkilo aus Platin wird im Mai dieses Jahres abgelöst durch eine Naturkonstante, das Planck’sche Wirkungsquantum, und durch ein Experiment, das auf diesem fusst und überall nachvollzogen werden kann. Ebenso neu definiert wurden aufgrund von Naturkonstanten die Einheiten für Stromstärke (Ampere) und Temperatur (Kelvin). Damit jede Messung noch genauer wird.