Wie schwer ist ein Kilogramm?
Abnehmen unerwünscht
In einem Tresor des Internationalen Büros für Maß und Gewicht liegt ein Zylinder, den nur Auserwählte alle paar Jahrzehnte aus seinem wohlbehüteten Versteck holen dürfen. Die Sicherheitsvorkehrungen sind streng, denn schon die geringste Beschädigung würde ihn wertlos machen. Der 39 Millimeter hohe und ebenso breite Zylinder definiert die physikalische Einheit der Masse. Er ist der Prototyp, an dem sich die Welt orientiert, wenn sie wissen will: Was ist ein Kilogramm?
Zwar haben jene Länder, die die sogenannte Meterkonvention unterschrieben haben, Kopien des Pariser Urkilogramms in ihrem Besitz. Doch um festzustellen, ob die Kopien mit dem Original identisch sind, muss man sie vergleichen. Das geschah das letzte Mal in den 1990er Jahren - und ergab Erstaunliches: Demnach hat das Pariser Urkilo in den letzten Jahrzehnten Substanz verloren, es ist nun 0,00005 Gramm leichter als seine Klone in aller Welt.
Naheliegende Erklärung: Vielleicht hat jemand in der Zwischenzeit das Urkilogramm besonders gründlich geputzt und dabei ein klein wenig der Platin-Iridium-Legierung, aus der der Zylinder besteht, abgerieben. Fachleute halten das für unwahrscheinlich. Sie vermuten, dass aus der Legierung im Lauf der Zeit eher Wasserstoffatome entwichen sein könnten.
Definition mit Naturkonstanten
Was auch immer die Ursache sein mag: Für die Wächter der Metrik ist die Inkonstanz des Urkilogramms ein unerträglicher Zustand. Sie suchen daher mit Nachdruck nach "natürlichen" Alternativen zum Prototyp-Ansatz. Vorbilder sind etwa die Länge oder die Zeit, deren Maßeinheiten durch Versuche im Labor definiert sind - und eben nicht durch materielle Vorbilder mit begrenzter Lebensdauer.
Ein Meter ist etwa gleich jener Strecke, "die das Licht im Vakuum während einer 299.792.458stel Sekunde zurücklegt". Man erinnert sich: Auch hier gab es ehemals ein Referenzobjekt namens "Urmeter", er wurde bereits 1960 ins museale Ausgedinge geschickt. Das soll nun auch mit dem Urkilogramm passieren, offen ist nur, wer oder was es ersetzen soll.
Ein Quantum spendet Trost
In der Hauptsache gibt es zwei Möglichkeiten. Eine Fraktion der Metrologen möchte sich an einer Naturkonstante orientieren, die nach dem deutschen Physiker Max Planck benannt ist. Das Plancksche Wirkungsquantum "h" verknüpft Energie und Frequenz von Lichtwellen bzw. -teilchen. Nachdem man seit Einsteins berühmtem E = mc2 weiß, dass Energie und Masse zwei Aspekte ein und derselben Sache sind, kann man mit schwingenden Teilchen und ihren Frequenzen relativ einfach auf Massen schließen. Beziehungsweise auch: eine bestimmte Masse definieren.
Nichts anderes tun Metrologen, wenn sie sagen: "Ein Kilogramm ist die Masse eines Körpers, dessen Energie einer Zahl von Photonen mit der Frequenzsumme x entspricht." (Wie beim Meter gibt es auch hier eine unhandliche Zahl; der Buchstabe "x" müsste nämlich ersetzt werden durch: (299.792.458 hoch 2/66.260.693) mal 10 hoch 41 Hertz.)
Der Name der Studie ist (hoffentlich) Programm: A Better Definition of the Kilogram, erschienen auf dem Preprintserver "arXiv"
Wie nun Ronald Fox vom Georgia Institute of Technology argumentiert, mag der Lösungsansatz mit Plancks Wirkungsquantum zwar aus Sicht der Theorie der schönste sein, weil er "ganz unten", d.h. an der physikalischen Basis ansetzt. Aber für die tägliche Messpraxis erscheint er zu umständlich.
Um nämlich das Kilogramm so definieren zu können, benötigt man eine sogenannte Watt-Waage, eine Vorrichtung, die Masse in Strom bzw. Spannung übersetzt. Und so ein Gerät sei nicht nur relativ teuer, so Fox, es sei vor allem sehr empfindlich gegenüber Störsignalen.
Atome zählen
Nachdem das Rauschen der natürliche Feind des Metrologen ist, votiert der US-Physiker für eine andere Lösung, und zwar für die Orientierung an der Avogadro-Zahl. Die nach dem italienischen Physiker Amedeo Avogadro benannte Konstante wird bereits seit langem zur Angabe von Atom- und Molekülmassen verwendet. Im Prinzip könnte man daher auch sie in den Dienst des Internationalen Büros für Maß und Gewicht stellen.
Fox jongliert in seiner Arbeit ein wenig mit der Avogadro-Zahl und kommt zu folgendem Ergebnis: "Ein Kilogramm entspricht 2.250 mal 28.148.963 hoch 3 Kohlenstoffatomen". Klingt einfach, aber auch hier lauert der Teufel im Detail: Um beispielsweise einen Würfel mit genau so vielen C-12 Atomen herzustellen, müsste man zuvor sämtliche unerwünschte Isotope, also Atome mit "falscher" Masse loswerden - sonst wäre das Kilogramm wieder nicht exakt definiert.
Preiswerter Kohlenstoff?
Und von dieser Schwierigkeit können andere Forscher, die bereits den Avogadro-Lösungsweg eingeschlagen haben, ein Lied singen. Sie haben versucht, mit Silizium-28 zum Ziel zu kommen und dabei festgestellt, dass die Herstellung des Materials teurer und aufwändiger ist als angenommen. Die Anreicherung geschah in russischen Zentrifugen, die einst der Produktion von Atomwaffen diente.
Nach Angaben der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig verschlang die Herstellung von sechs Kilogramm Rohmaterial 1,2 Millionen Euro - nicht ganz wenig für eine Methode, von der man noch nicht einmal weiß, wie genau sie ist.
Zumindest in zweierlei Hinsichten erwartet sich Fox von der Kohlenstoff-Methode eine Verbesserung, sie soll einfacher und billiger sein als bisherige Ansätze. Wie zuverlässig man etwa fehlerlose Kristallgitter mit C-12-Atomen herstellen kann, bliebe noch zu zeigen. Offen ist auch, ob die Kristalle aus Graphit oder aus Diamant bestehen sollten.
Einen Vorteil hätte sein Vorschlag jedenfalls: Die Chemiker beziehen sich bei ihren Berechnungen von Atommassen seit jeher auf das C-12-Atom. Somit wären zwei metrische Ansätze unter einem Dach aus Kohlenstoff vereint.
Robert Czepel, science.ORF.at
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