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NATURKONSTANTEN
Das Urkilogramm hat ausgedient
Redaktion / idw / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik
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20. Mai 2019

Mit dem heutigen Weltmetrologietag ändert sich grundlegend, was ein Kilogramm, ein Ampere und alle anderen Einheiten sein sollen. Künftig werden diese allein durch Naturkonstanten definiert, das Urkilogramm hat also ausgedient. Im täglichen Leben dürfte sich dadurch kaum etwas ändern. Forschung und Wissenschaft profitieren aber und auch die Verständigung mit Außerirdischen könnte es erleichtern.

Urkilogramm

Von 1889 bis 2019 war das Urkilogramm das Maß aller Massen. Seit heute ist das anders. Bild: BIPM [Großansicht]

Ab dem 20. Mai 2019, dem Weltmetrologietag, definieren Naturkonstanten, was unter einem Kilogramm und einem Ampere, einem Kelvin und einem Mol zu verstehen ist - ein fundamentaler Wandel im Internationalen System der Einheiten (SI). Nach jahrelanger Forschung von den großen Metrologieinstituten und im Besonderen von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) hatte sich die Weltgemeinschaft auf diese Revision des Einheitensystems verständigt – eine Revision, die heute in Kraft tritt.

Der 20. Mai 2019 markiert eine Zäsur in der Entwicklung der physikalischen und technischen Maßeinheiten. Ab diesem Tag sind die gewohnten Definitionen der Einheiten Geschichte. Vorbei die Zeiten, in denen ein kleiner Metallzylinder in einem Safe des Internationalen Büros für Maße und Gewichte (BIPM) in Sèvres (Paris) das Kilogramm für die ganze Welt darstellte.

Vorbei auch die Zeiten, in denen zwei unendlich dünne, unendlich lange Leiter streng parallel in einem Abstand von einem Meter gespannt werden mussten, um mithilfe dieser idealisierten Versuchsanordnung zu definieren, was unter der Einheit für die elektrische Stromstärke, dem Ampere, zu verstehen sein sollte.

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Ab dem 20. Mai 2019 haben die Einheiten, in denen wir alles in der Welt vermessen, das solideste Fundament bekommen, das sich aus physikalischer Sicht überhaupt nur denken lässt: Ein Satz von Naturkonstanten mit festgelegten Werten bildet nun die Grundlage für die Definitionen aller Einheiten. Die Idee, eine Maßeinheit auf der Basis von Naturkonstanten zu definieren, ist prinzipiell nicht neu. Was bei der Definition der Sekunde mittels Atomuhren vor 50 Jahren und bei der Definition des Meters mithilfe der Lichtgeschwindigkeit vor über 30 Jahren begonnen wurde, wird nun für alle Einheiten im Internationalen Einheitensystem fortgesetzt.

Vier weitere Konstanten spielen dabei die Hauptrollen: die Planck-Konstante h, die Avogadrokonstante NA, die Boltzmann-Konstante k und die Ladung des Elektrons e. In den metrologischen Laboratorien fanden in den letzten Jahren aufwendige Experimente statt, um eben diese Konstanten so gut es irgend geht zu messen. Und diese Messungen, die vor allem an den großen Metrologieinstituten wie der PTB (Deutschland) und dem NIST (USA) oder auch dem NMIJ (Japan) und dem NRC (Kanada) durchgeführt wurden, waren erfolgreich: Die zuvor gesetzten Zielmarken, u. a. bei den Messunsicherheiten und der Unabhängigkeit der Experimente voneinander, wurden erreicht. Die Werte der betreffenden Naturkonstanten konnten somit auf der Basis dieser Messungen sehr genau festgelegt werden.

Im so formulierten Einheitensystem gilt: Kann genauer gemessen werden, können auch die Einheiten genauer realisiert werden – ohne Änderung der zugrundeliegenden Definition. In einer hochtechnischen Welt, in der weder die Längenteilungen beim Nanometer aufhören werden noch die Zeitteilungen bei Femtosekunden, ist diese technische Offenheit des neuen SI gegenüber allen zukünftigen Genauigkeitsfortschritten ein großer Gewinn.

Damit schafft die Revision des Einheitensystems bessere Voraussetzungen für Innovationen überall da, wo es auf höchste Genauigkeiten ankommt – bei der Entwicklung von Quantentechnologien ebenso wie bei den Diagnosemöglichkeiten der Medizin, den Effizienzsteigerungen bei der Energiegewinnung oder den Analysemethoden der Klimaforschung. Und diese Offenheit gilt auf der gesamten Skala der jeweiligen Einheit, da die Naturkonstanten keinen speziellen Skalenabschnitt hervorheben.

Dies steht durchaus im Gegensatz zur jetzigen Situation, in der das Kilogramm nur genau einen Punkt auf der Masseskala, nämlich den 1-kg-Punkt, festlegt oder der Tripelpunkt des Wassers ebenfalls nur einen einzigen Wert, den 0,01-°C-Punkt auf der Temperaturskala, fixiert. Das komplett neu definierte Einheitensystem beseitigt die Mängel des bisherigen Systems, wobei die Änderungen im täglichen Leben nicht bemerkbar sind.

Für die Technik zeigen sich die Fortschritte als Langzeitwirkung. Für die Wissenschaft tritt der Fortschritt dagegen sofort mit den Neudefinitionen ein. Und ein weiterer Vorteil ist überzeugend: Naturkonstanten gelten überall. Damit bildet das neue SI gewissermaßen eine universelle Sprache, auf die sich die Weltgemeinschaft nun verständigt hat. Und nicht nur auf unserer Welt: Mathematik und Naturkonstanten werden überall verstanden – auf der gesamten Erde ebenso wie im Weltraum. Sie ist im wahrsten Sinne des Wortes universell. Es sollte nun kein Problem mehr sein, Informationen und Waren mit unseren Nachbarn auf Alpha Centauri auszutauschen.

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siehe auch
Naturkonstanten: Neue Bestätigung für Konstanz - 21. November 2014
Astroteilchenphysik: Radioaktive Zerfallsraten sind konstant - 2. Oktober 2014
Naturkonstanten: Immer konstant oder nicht? - 27. Oktober 2004
Links im WWW
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
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