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Physik: Warum das neue Kilogramm schwerer als das alte Kilo ist

Bisher wurden Gewichte von einem Ur-Kilogramm gemessen. Doch dieser Metallzylinder hat in den letzten 129 Jahren an Gewicht verloren. Die neue Definition versteht kein Laie mehr, dafür ist das Gewicht nun konstant bis zum Ende aller Zeiten

Geräte wie die NIST-4 Kibble balance werden in Zukunft Gewichte kalibrieren.

Geräte wie die NIST-4 Kibble balance werden in Zukunft Gewichte kalibrieren.

Ein Kilogramm ist ein Kilogramm. Eine feste Größe, auf die man sich verlassen kann und die Macht über uns hat. Etwa dann, wenn wir nach ein paar guten Tagen wieder auf die Waage steigen.

Das Kilogramm aller Kilogramms

Das Zentrum dieser Macht liegt seit 129 Jahren in Frankreich in einem Tresor: Es ist ein Stück Metall aus einer Platin-Iridium-Legierung und liegt im Keller unter dem "Bureau international des poids et mesures", dem Internationalen Büro für Maße und Gewichte, in Sèvres. Das ist das Stamm-Kilogramm, genannt "Le Grand K". Nach ihm sind alle anderen metrischen Gewichte auf der Welt kalibriert. Das genauere Le Grand K löste die erste Definition des Kilogramms ab. Nach der Französischen Revolution und bei der Einführung des metrischen Systems wurde das Kilogramm als das Gewicht von einem Liter Wasser definiert.

"Le Grand K" ist schwer gesichert. Es liegt in einem Tresorraum. Drei Schlüssel werden benötigt, um ihn zu öffnen. Der Stahlzylinder ruht dort unter drei Schutzglasglocken, in einer temperatur- und feuchtigkeitskontrollierten Umgebung. Umgeben wird es von sechs offiziellen Kopien – den Témoins oder Zeugen.

Schwund am Standard

Nur etwa alle 40 Jahre wird es herausgenommen, und dann werden an diesem Kilogramm Kopien kalibriert. Und bei diesen seltenen Messungen des Gewichts und seiner Zeugen zeigte sich, dass sich die Massen verändert haben. Die einst identischen Gewichte variieren inzwischen. Le Grand K ist heute auch nicht mehr das, was es einmal war. Le Grand K ist auf Diät und wiegt heute nur "999,99995 Gramm" - in den letzten 129 Jahren hat es 50 Mikrogramm verloren.

Der letzte Saurier der Phsysik

Daher begann am 16. November eine Generalkonferenz über Maße und Gewichte in Frankreich. Auf der Konferenz wurde eine Änderung der Definition von einem Kilogramm beschlossen. Die Wissenschaft hat sich von "Le Grand K" abgewendet. Die neue Definition knüpft an der Planck-Konstante an.

Dieser Schritt war überfällig. Von den sieben Basisgrößen des International System of Units (SI) Meter (Länge), Kilogramm (Masse), Sekunde (Zeit), Ampere (Strom), Kelvin (Temperatur), Mol (Stoffmenge) und Candela (Leuchtkraft) war das Kilogramm die letzte Maßeinheit, die mit einem physischen Objekt verbunden ist. Le Grand K ist der Dinosaurier in der Physik. Das Gewicht ist der letzte Überlebende der Welt des 19. Jahrhunderts, einer Physik, so wie Newton sie begründet hat.

Die Unveränderlichkeit der neuen Definition wird mit einem Nachteil erkauft. Die Anschaulichkeit ist dahin. Le Grand K konnte auch ein Laie verstehen: Es ist ja nur ein Metallgewicht aus einer stabilen Legierung. Doch schon die Planck-Konstante ist mit dem Alltagsverstand nicht zu erfassen. Sie ist ein Phänomen in der Quantenmechanik, das zeigt, wie Masse mit der elektromagnetischen Energie in Beziehung steht. Es die Zahl, die die Frequenz einer Lichtwelle mit der Energie eines Photons in der Welle in Beziehung setzt.

Das Kilogramm für die Ewigkeit

Neben der Genauigkeit gibt es weitere Vorteile. Anders als bisher muss niemand mehr in einen Tresor herabsteigen, um eine Kopie des zentralen Gewichts herzustellen. Da die neuen Gewichte auf physikalischen Konstanten beruhen, können sie an jedem Ort hergestellt und kalibriert werden. Dazu benötigt man eine spezielle Waage, die Kibble-Waage, sie wiegt eine Masse gegen eine Menge an elektromagnetischer Kraft. "Die Waage funktioniert, indem sie einen Strom durch eine Spule in einem starken Magnetfeld leitet, und das erzeugt eine Kraft, und man kann diese Kraft nutzen, um das Gewicht einer Masse auszugleichen", erläutert Ian Robinson das Prinzip, er arbeitete nach 1976 mit Bryan Kibble an den ersten Waagen dieser Art.

Durch die ewige Planck-Konstante wird auch das Kilogramm konstant. Im Gegensatz zu Le Grand K werden es in 129 Jahren keine 50 Mikrogramm mehr oder weniger sein. Mit der neuen Formel wird das Kilogramm immer ein Kilogramm wiegen. Bis in alle Ewigkeit.

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