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GEWICHTSEINHEIT: Das Ur-Kilo hat abgenommen

2018 gibt es ein neues Kilogramm. Das alte Kilo hat ausgedient, auch weil es unter Schwindsucht leidet. Doch ganz so einfach ist die Neudefinition des Kilogramms nicht.
Christian Satorius
Auslaufmodell: Das Ur-Kilogramm aus Platin-Iridium unter dreifacher Glasglocke (1900). (Bild: Ullstein Bild)

Auslaufmodell: Das Ur-Kilogramm aus Platin-Iridium unter dreifacher Glasglocke (1900). (Bild: Ullstein Bild)

Christian Satorius

Dieses Jahr gibt es ein neues Kilogramm. Das alte Kilo ist in die Jahre gekommen, und zwar im wahrsten Sinne des Wortes. Seit 1889 liegt das weltweite Referenzmass für das Kilogramm (Internationaler Kilogramm-Prototyp) in Form eines kleinen Zylinders aus einer Platin-Iridium-Legierung im Tresor des Internationalen Büros für Mass und Gewicht (BIPM) im Pariser Vorort Sèvres. Das Ding ist gut geschützt unter drei Glasglocken.

Sämtliche Waagen auf dem gesamten Globus sind über Umwege auf dieses eine exemplarische Kilogramm geeicht. Und so lautet die aktuelle Definition des Kilogramms auch nicht wenig überraschend: «Das Kilogramm ist gleich der Masse des Internationalen Kilogramm-Prototyps.»

Allerdings gibt es da ein Problem: Das schöne Referenz-Kilogramm in Paris leidet sehr wahrscheinlich unter Schwindsucht. «Im Vergleich mit anderen identischen Prototypen, die zur selben Zeit mit der gleichen Masse hergestellt und poliert wurden», meint Ian Mills, Präsident des Beratenden Komitees für Einheiten am BIPM, «betragen die Abweichungen in den letzten 100 Jahren ganze 50 Mikrogramm, vielleicht sogar 100 Mikrogramm». 100 Mikrogramm sind zwar gerade mal 0,0001 Gramm. Trotzdem: Das Kilo ist nicht mehr ein Kilo.

Einzige Basiseinheit mit Prototyp

Allerdings, ganz exakt können die Experten das nicht einmal ­sagen. Obwohl das ziemlich unwahrscheinlich ist, könnte es rein theoretisch auch sein, dass mit dem Ur-Kilogramm alles in Ordnung ist, während Dutzende von Kopien auf der ganzen Welt allesamt zugenommen haben.

Keiner weiss, warum das Ur-Kilogramm abweicht, niemand kennt die Ursache. Vielleicht wurden im Laufe der Jahre beim Reinigen immer mal wieder ein paar Mikrogramm abgeputzt, wer weiss? Aber auch das ist Fach­leuten zufolge ziemlich unwahrscheinlich.

Das eigentliche Problem ist nun ein paradoxes: Das Ur-Kilogramm wiegt per Definition immer exakt ein Kilogramm – egal, wie schwer es ist. In unserer heutigen Hightech-Welt geht so etwas natürlich gar nicht. Im Internationalen Einheitensystem (SI) ist das Kilogramm denn auch die einzige Basiseinheit, die heute noch über einen konkreten Vergleichsgegenstand (eben diesen Prototypen) dargestellt wird.

Der Meter hat es bereits hinter sich

Nicht auszudenken, wenn das schöne Referenzmass verloren ginge oder beim Reinigen einfach mal zu Boden fallen würde. Ähnliche Probleme gab es früher schon beim Ur-Meter, das ebenfalls ein ganz konkreter Vergleichsgegenstand war, nämlich ein Platin-Iridium-Stab.

Das Ur-Meter wurde deshalb schon vor Jahren neu definiert, und zwar so, dass Putzen oder Fallenlassen ihm nichts anhaben können. Für diesen Zweck bieten sich unveränderliche Naturkonstanten besonders an. Beim Meter entschieden sich die Experten für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Somit ist das Meter heute definiert als «die Lange der ­Strecke, die Licht im Vakuum wahrend 1/299792458 Sekunden durchlauft».

Zwei Projekte stehen zur Wahl

Nun soll auch das Kilogramm neu so definiert werden, dass es von einer Fundamentalkonstanten der Physik abgeleitet werden kann. Ganz so einfach scheint die Sache indes nicht. Nur zwei Projekte haben sich im gesteckten Zeitrahmen (bis zum Stichtag ­ 1. Juli 2017) mit der geforderten Genauigkeit als erfolgreich erwiesen: Das Avogadro-Projekt der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig (PTB) und ihrer Partner sowie ­ die Watt-Waagen-Experimente internationaler Forscher.

Auch wenn es sich so anhören mag: Mit tropischen Südfrüchten hat das Avogadro-Projekt rein gar nichts zu tun. Hierbei zählen die Forscher nämlich vielmehr, wie viele Atome eines bestimmten Isotops (Silizium-28), exakt ein Kilogramm ergeben. Dazu bestimmen die Wissenschafter mit Hilfe von höchstpräzisen Messinstrumenten, wie viele Atome in einer perfekten Silizium-Kugel enthalten sind – und zwar nicht nur so ungefähr, sondern mit einer Genauigkeit von 2 mal 10 hoch minus 8. Mit anderen Worten: Die Experten dürfen sich maximal um zwei Atome pro einhundert Millionen verzählen.

Entscheid vermutlich im Herbst

Der springende Punkt ist dabei, dass ein Brückenschlag gelingt zwischen einer makroskopischen Masse (etwas, das man auf eine Waage legen kann) und dem Mikrokosmos der Atome (wobei jedes Atom eine unveränderliche Masse hat). Die Verbindung zwischen Atomwelt und Makrokosmos schafft die sogenannte Avogadro-Konstante.

Ausser diesem Projekt waren auch die Watt-Waagen-Experimente internationaler Forscher erfolgreich. Auch deren Ergebnisse stehen für die künftige Neudefinition des Kilogramms zur Verfügung. Der Entscheid fällt wahrscheinlich an der nächsten Internationalen Generalkonferenz für Mass und Gewicht in Versailles im Herbst 2018.

Vereinfacht gesagt, wird bei der Watt-Waage ein Kilogramm mittels einer elektromagnetischen Kraft sozusagen aufgewogen. Die dafür notwendige elektrische Leistung (in Watt, daher der Name) lässt sich präzise messen. Nun kann das Kilogramm bei festgelegtem Wert des Planckschen Wirkungsquantums (festgelegt als 6,62607015 mal 10 hoch minus 34) definiert werden. Tönt kompliziert. Aber das war beim Kilo ja schon immer so.

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