Physik : Falsches Maß

Das Urkilo in Paris wird immer leichter. Jetzt suchen Forscher nach Alternativen

Stephan Struve
Urkilo
Foto: Visum

Die moderne Physik kann messen, wie schnell das Licht oder wie groß ein Atom ist. Doch eine Grundeinheit, die uns aus dem Alltag gut bekannt ist, bereitet ihr Kopfzerbrechen. Das in Paris gelagerte Urkilogramm wird immer leichter.

So wird seit langem nach Alternativen gesucht. Zuletzt trafen sich im November 2007 Forscher aus der ganzen Welt in Paris. Sie wollten das Kilogramm durch eine universelle Naturkonstante neu definieren. So wie es beim Meter gelungen ist, das seit 1983 über die Lichtgeschwindigkeit bestimmt wird.

Beim Kilogramm blieben die Forscher bisher erfolglos. Seit 1889 bestimmt der Zylinder aus Platin und Iridium, wie schwer ein Kilogramm sein muss. Jedes Land, das dem Metrischen System beitritt, bekommt eine baugleiche Kopie. Das Internationale Büro für Maß und Gewicht in Sèvres (BPIM) bei Paris hütet den ursprünglichen Kilogramm-Zylinder unter drei luftdicht abgeschlossenen Glasglocken in einem Tresor.

Trotz der strengen Vorkehrungen ist das Urkilo gegenüber seinen baugleichen Kopien um 50 Mikrogramm (millionstel Gramm) leichter geworden, wie bereits vor 19 Jahren festgestellt wurde. Der Grund für die Abmagerung ist noch unbekannt. Es könnte aber sein, dass bei der Herstellung gasförmiger Wasserstoff in die Platin-Iridium-Legierung eingeschlossen wurde, der nun im Lauf der Zeit entweicht.

So winzig der Massenverlust erscheinen mag, Wissenschaftlern ist er ein Dorn im Auge. Sie sind auf ganz präzise Daten angewiesen. „Das Kilogramm ist die letzte Basiseinheit im Internationalen Einheitensystem, die auf einem Kunstprodukt beruht“, sagt Ali-Laurent Eichenberger vom Schweizer Bundesamt für Metrologie in Bern. 1960 wurde dieses Einheitensystem eingeführt und definiert bis heute etwa die Sekunde als Grundeinheit der Zeit und das Meter als grundlegendes Längenmaß.

Als eine Alternative zum Urkilo gilt die elektrische Watt-Waage. Damit lässt sich exakt bestimmen, wie viel elektrische Kraft nötig ist, um eine bestimmte Masse aufzuwiegen. Ein Laser misst präzise, um wie viel die Waage ausgelenkt wird. Da Größen wie Erdbeschleunigung, Geschwindigkeit, Stromstärke und Spannung bekannt sind, lässt sich die Masse im Verhältnis zu einer Naturkonstanten, dem Planck’schen Wirkungsquant, bestimmen. Diese Konstante verbindet Teilchen- und Welleneigenschaften miteinander.

Eine weitere Alternative zum Urkilo sind Experimente mit einer Siliziumkugel. Damit soll die Avogadro-Konstante bestimmt werden. Das ist eine Naturkonstante, die die Anzahl der Atome oder Moleküle angibt, die in einem Mol eines Stoffes enthalten sind. Ein Team um Peter Becker an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig untersucht, wie viele Siliziumatome für exakt ein Kilogramm nötig sind. Dafür nutzen die Forscher eine Siliziumkugel, die aus nur einem Kristall hergestellt wurde. Der Kristall besteht zu 99,99 Prozent aus nur einer Atomsorte – Silizium-28. In früheren Experimenten wurden Kugeln verwendet, die aus mehreren Siliziumisotopen bestanden. Das führte zu Ergebnissen, die nicht exakt genug waren.

Die Masse der Siliziumkugel wurde in Paris über das Urkilogramm bestimmt, auf acht Stellen nach dem Komma genau. Derzeit ermitteln die PTB-Forscher in aufwendigen Experimenten, aus wie vielen Siliziumatomen diese Kugel besteht – und erhalten so die Avogadro-Konstante. Damit können sie bestimmen, wie viele Siliziumatome insgesamt ein Kilogramm ausmachen.

„Damit unsere Ergebnisse bestätigt werden können, gibt es zwei baugleiche Kugeln, an denen gleichzeitig geforscht wird“, sagt PTB-Präsident Ernst Göbel. Zur Absicherung werden die Kugeln nochmal über Kreuz getauscht.

Auch bei der Watt-Waage stoßen die Forscher auf fundamentale Probleme. Zunächst sind die benutzten Waagen nicht exakt gleich. „Die Diskrepanz ist groß“, sagt Eichenberger, der in Bern mit der Schweizer Watt-Waage arbeitet.

Die abweichenden Ergebnisse resultieren beispielsweise daraus, dass sich die Watt-Waagen und ihre Elemente unterscheiden. Die amerikanischen Forscher am Nationalen Institut für Standards und Technologie haben mit acht Metern Höhe eine sehr große Watt-Waage, die sogar in einem eigenen Gebäude untergebracht ist. Gearbeitet wird mit einem Gewicht von einem Kilogramm.

Die Schweizer Wissenschaftler benutzen dagegen ein Gewichtsstück von nur 100 Gramm. Ihre Watt-Waage ist lediglich einen Meter hoch. „Dass die einzelnen Watt-Waagen derart unterschiedlich sind, ist ein großer Vorteil“, sagt Eichenberger. So werde ein großer Teil der systematischen Fehler ausgeschlossen. Trotz dieser Diskrepanzen kommt die Watt-Waage ihrem Ziel bereits sehr nahe.

Das Pariser Büro möchte das Kilogramm aber erst dann neu festlegen, wenn es einem Verfahren gelingt, das Gewicht auf acht Stellen nach dem Komma genau zu berechnen. Amerikanische Forscher haben 2007 gezeigt, dass die Watt-Waage diese Genauigkeit fast schon erreicht.

Die Versuche mit der Siliziumkugel sind dagegen noch nicht so präzise. „Unsere letzten Messungen sind um ein Vielfaches ungenauer als die Watt-Waage“, sagt Göbel. Seine Hoffnung ruht nun auf dem superreinen Silizium. „Mit Silizium, das fast nur aus einer Sorte von Isotopen besteht, werden wir dem Ziel sehr nahe kommen.“

Irritierend ist, dass die Watt-Waage und die Siliziumkugel bisher unterschiedliche Ergebnisse für das Planck’sche Wirkungsquant liefern. Eine Naturkonstante muss aber immer genau gleich sein. „Erst, wenn die Diskrepanzen in den Werten für die Planck-Konstante geklärt sind, kann das Kilogramm neu festgelegt werden“, sagt Göbel. Der Braunschweiger Forscher vermutet, dass Fehler in den Messmethoden bisher nicht erkannt wurden. Sehr viel unwahrscheinlicher, aber auch nicht ganz auszuschließen sei, dass „etwas mit der grundlegenden Physik im Argen ist“. Es könne Zusammenhänge geben, die bisher unbekannt oder falsch interpretiert worden seien.

Auf ein Ziel haben sich die Forscher aber bereits verständigt. Auf der nächsten Generalkonferenz des Internationalen Komitees für Maß und Gewicht in Paris im Jahr 2011 soll es eine Neudefinition geben. Favorit ist derzeit die Watt-Waage. Sie liefert die genauesten Ergebnisse. Doch die Siliziumkugel ist noch nicht aus dem Rennen. „Dank dem superreinen Siliziummaterial können wir noch vorbeiziehen“, sagt Göbel.

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