Die Maße dieser Welt

Ob Reifendruck, Feinstaubkonzentration oder Lungenvolumen – jede Messung lässt sich im metrischen System auf eine oder mehrere der sieben Basiseinheiten zurückführen. Diese verlieren nun ihren Sonderstatus. Eine Revolution!

Meter (m)

Quelle: PTB, BIPM © ZEIT-Grafik

Was bisher geschah

Maßeinheiten sind menschengemachte Konventionen, beeinflusst von Politik, Wissenschaft und Wirtschaft. Den Meter verdanken wir der Französischen Revolution. Auch das Dezimalsystem der Maßeinheiten wurde damals etabliert, also Vorsilben wie Kilo, Zenti, Milli. Der Vertrag der Meterkonvention erklärte 1875 das Urmeter zur Mutter aller Längenmaße. Bis auf Myanmar, Liberia, die USA und ein paar andere führten alle Staaten das metrische System ein.

Was jetzt passiert

1983 wurde das Meter neu definiert. Es ist seitdem eine Tochter der Sekunde, definiert als die Strecke, die Licht im Vakuum während 1/299.792.458 Sekunden durchläuft. In Zukunft bleibt es dabei. Statt das Meter zu definieren, werden die zwei dafür benutzten Naturkonstanten festgeschrieben: die Lichtgeschwindigkeit c und die Frequenz ∆ν des Cäsium-Atoms (s. Sekunde).

Sekunde (s)

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Was bisher geschah

Die Sekunde ist die Königin im internationalen System der Maßeinheiten, weil keine Einheit so genau gemessen werden kann. Die beste Atomuhr geht auf 18 Nachkommastellen genau und würde nach 30 Milliarden Jahren höchstens eine Sekunde falsch anzeigen. Die von den Babyloniern erdachte Sekunde ist zugleich ein Sonderling, weil sie nicht dem Dezimalsystem folgt. Zwar träumten französische Revolutionäre von einem Tag aus 10 Stunden zu jeweils 100 Minuten zu jeweils 100 Sekunden. Aber die Uhrmacher ignorierten sie.

Was jetzt passiert

Die Sekunde ist das Vorbild für die jetzige Reform. Sie wird seit 1967 auf eine charakteristische Frequenz ∆ν des Cäsium-Atoms zurückgeführt. Im neuen System wird diese Naturkonstante mit dem Zahlenwert 9.192.631.770 pro Sekunde festgeschrieben. Daraus lässt sich die Sekunde berechnen. Gemessen wird weiterhin mit Cäsium-Atom-Uhren.

Kilogramm (kg)

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Was bisher geschah

1795 definierte die französische Nationalversammlung ein Kilogramm als Masse eines Kubikdezimeters (Liters) Wasser. Später wurde das Urkilogramm aus Platin-Iridium angefertigt, das seit 1889 als Oberhaupt aller Gewichtsstücke gilt. Seit Jahren versuchen Metrologen, das Kilogramm auf Naturkonstanten zurückzuführen. Zwei Methoden konkurrieren dabei: mechanische und elektrische Kräfte mithilfe der Wattwaage vergleichen oder Siliziumkugeln vermessen.

Was jetzt passiert

Das Urkilo wird abgeschafft. Die Einheit der Masse wird künftig aus drei Naturkonstanten berechnet und mithilfe von Wattwaagen oder Siliziumkugeln "hergestellt". Peinlich: Bestimmt man mit beiden Methoden jeweils die Planck-Konstante h, weichen beide Ergebnisse leicht voneinander ab. Deshalb wird nun ein Mittelwert von h festgelegt, und die Forscher suchen weiter nach Messfehlern.

Ampere (A)

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Was bisher geschah

Die Naturgesetze des Elektromagnetismus wurden überwiegend im 19. Jahrhundert entdeckt, daher spielten die Einheiten für Strom (Ampere), Spannung (Volt) und Widerstand (Ohm) in der Französischen Revolution keine Rolle. Als 1960 das internationale Einheitensystem verabschiedet wurde, war das Ampere als eine von sechs Basiseinheiten mit dabei. Spannung und Widerstand ließen sich jedoch schon bald viel genauer messen als Strom, sodass das Ampere in der Praxis aus ihnen abgeleitet wurde.

Was jetzt passiert

Elektrischer Strom ist nichts anderes als eine elektrische Ladung, die pro Sekunde durch einen Draht fließt – Elektronen zum Beispiel. Im neuen Einheitensystem wird nun als Naturkonstante die Ladung eines Elektrons e festgelegt. Die Sekunde ist über ∆ν definiert. Hightech-Geräte können Elektronen zählen – und so ein Ampere messen.

Kelvin (K)

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Was bisher geschah

Das Kelvin ist ein Cousin des Celsius. Der Unterschied: Null Grad Celsius ist der Gefrierpunkt von Wasser (gemessen bei normalem Atmosphärendruck). Null Kelvin dagegen ist der absolute Nullpunkt, und der liegt bei minus 273,15 Grad Celsius. Kälter geht nicht. Der zweite Fixpunkt der Kelvin-Skala ist diejenige Temperatur, bei der Wasserdampf, Eis und flüssiges Wasser gleichzeitig existieren (bei niedrigem Druck und 0,01 °C). Das Kelvin ist der 273,16te Teil dieser Temperatur. Temperaturdifferenzen haben in beiden Einheiten dieselben Werte.

Was jetzt passiert

Das Kelvin wird auf die Boltzmann-Konstante k zurückgeführt, eine zentrale Naturkonstante der statistischen Physik. Außerdem tauchen Meter, Sekunde und Kilogramm in den Formeln auf, deshalb sind h und ∆ν mit im Spiel. In der Praxis messen Metrologen das Kelvin mit Gas-Thermometern auf sechs Nachkommastellen genau.

Candela (cd)

Quelle: PTB, BIPM © ZEIT-Grafik

Was bisher geschah

Candela ist lateinisch für Kerze. Denn früher nutzte man als Einheit für Lichtstärke Kerzen mit festgelegter Dochthöhe. Heute ist die Candela definiert als Lichtstärke einer grünen Lichtquelle mit 1/683 Watt Strahlstärke, korrigiert mit der Farbempfindlichkeit des Auges. Puristen mögen die Candela nicht, sie menschelt. Sie ließe sich auch in Watt ausdrücken (und Watt in Kilogramm, Meter, Sekunde). Aber die Lichtindustrie war stärker.

Was jetzt passiert

Die Candela wird künftig auf die Strahlstärke Kcd = 683 Lumen pro Watt zurückgeführt (Lumen ist gleich Candela mal Raumwinkel). Die Puristen bemängeln, dass Kcd eher ein Umrechnungsfaktor ist, nicht vergleichbar mit Naturkonstanten wie der Lichtgeschwindigkeit oder der Ladung des Elektrons. Aber die Konstante bleibt – ein Tribut an die wirtschaftliche Bedeutung des Einheitensystems.

Mol (mol)

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Was bisher geschah

Das Mol ist die Einheit für Stoffmenge. Ein Mol enthält 6,02214076∙1023 Teilchen. Für Chemiker ist diese Einheit enorm praktisch, weil sie damit die Mengenverhältnisse von Substanzen für chemische Reaktionen ausrechnen können. Nach langer Diskussion erhielt das Mol 1971 den Rang einer Basiseinheit.

Was jetzt passiert

Das Prinzip ist dasselbe wie bei den anderen Basiseinheiten: Man kehrt den Spieß um. Als Naturkonstante wird künftig die Avogadro-Zahl festgelegt: 6,02214076∙1023 pro Mol. Daraus lässt sich das Mol ableiten. Das neue System beruht nun auf sieben Naturkonstanten, obwohl auch weniger ausreichen würden – aus drei Naturkonstanten ließen sich alle Maßeinheiten ableiten, vielleicht reichen sogar zwei oder eine, darüber diskutieren Physiker noch. Dieser Schritt war den Maßhütern dann aber doch zu radikal. Vielleicht ein andermal.

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Korrekturhinweis: In einer früheren Version dieses Onlinebeitrages und in der ZEIT-Ausgabe 2018/45 hieß es an zwei Stellen im Text "Meteorologen" statt "Metrologen". Der Fehler wurde hier korrigiert.