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Ausgabe 11/2003

 

physik

Das Maß aller Massen

Von Max Rauner

 

Das Pariser Urkilogramm hat ausgedient und soll ersetzt werden. Deutsche wetteifern mit britischen und amerikanischen Forschern um den neuen Kilo-Maßstab Von Max Rauner

 

So sieht ein glücklicher Vater aus. Arnold Nicolaus streichelt eine Metallbox auf dem Labortisch. „Nirgendwo in Deutschland ist die Temperatur so konstant wie in dieser Kiste“, schwärmt der Physiker, „20 Grad Celsius, auf ein tausendstel Grad genau.“ Er streift sich zwei Paar Handschuhe über, erst Latex, dann Baumwolle, und lüftet behutsam den Deckel. Da schlummert es, das 1-Kilo-Baby: eine schwarze Kristallkugel aus Silizium, die Oberfläche glatt poliert und geheimnisvoll glänzend. „So könnte es aussehen“, flüstert Nicolaus und hebt das runde Ding aus dem Brutkasten. Bequem passt es in seine Hand. Nicolaus und ein Dutzend Forscher der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig (PTB) wollen der Menschheit ein neues Urkilogramm schenken – die höchste Instanz in Sachen „Masse“. Zuletzt hat das die Französische Revolution vermocht. © Udo Kilian für DIE ZEIT

Nicht nur in Braunschweig, in aller Welt rüsten sich Forscher für die Erbfolge des Urkilogramms. Noch liegt der alte Würfel aus Platin und Iridium wohlbehütet in einem Tresor des Bureau International des Poids et Mesures in Paris, einer Art UN der Maßeinheiten. Drei Wächter teilen sich die Schlüssel. Einmal im Jahr schauen sie gemeinsam nach, ob das wertvolle Stück noch da ist. Doch im Streit um den Nachfolger hat längst ein technisches Wettrüsten begonnen. Deutschland, Italien, Japan und Australien wollen die Silizium-Kugeln auf den Thron heben. Amerika, England, Frankreich und die Schweiz propagieren dagegen ein bizarr anmutendes „elektrisches Kilogramm“. Nur in einem sind sich alle einig: Das alte muss endlich weg.

Die Experten stehen vor einem Dilemma: Das Maß aller Massen verliert an Gewicht, niemand weiß, warum. 1879 wurde das Urkilogramm vom Londoner Goldschmied Johnson Matthey gegossen, poliert und nach Paris gebracht. Dreißig Duplikate verloste man unter den anderen Staaten, Nummer 22 ging ans Deutsche Reich, Nummer 15 an Bayern. Zweimal im vergangenen Jahrhundert, 1950 und 1990, reisten die Maßhüter aus aller Welt mit gut bewachten und ausgepolsterten Köfferchen nach Paris, holten ihre Kopien heraus und begannen zu wiegen. Am Ende stand fest: Das Urkilo war im Vergleich zu den meisten anderen Massen etwas leichter geworden. Liegt es an flüchtigen Wasserstoff-Atomen, die aus dem Metall entweichen? Wurden die Duplikate womöglich anders hergestellt als das Original? Haben die Pariser beim Putzen zu doll gerubbelt? Oder haben die Duplikate zu viele Atome aus der Luft angelagert? Nichts Genaues weiß man nicht.

Der mysteriöse Verlust betrug in den vergangenen 100 Jahren zwar nur 50 Mikrogramm (millionstel Gramm) – weniger als die Masse eines Salzkorns. Doch das genügt, um die Präzisionswächter zu beunruhigen. Schließlich verdankt jede Waage, ob im Badezimmer, beim Juwelier oder in der Apotheke, ihre Anzeige indirekt dem Urkilo. Wer heute eine Tonne Weizen kauft, bekommt 50 Gramm weniger als vor 100 Jahren. Das klingt undramatisch, aber es läppert sich: Jedes Jahr werden Waren im Wert von mehreren Billionen Euro abgewogen und verkauft. Eine Ungenauigkeit von 50 Mikrogramm pro Kilo entspricht da Millionen Euro – haben oder nicht haben!

„Im Moment brennt nichts an“, beruhigt PTB-Chef Ernst Göbel, „die Leute brauchen keine Angst zu haben, beim Einkaufen betrogen zu werden.“ Aber die Ansprüche von Industrie und Wissenschaft steigen. Heute erreichen Ultramikrowaagen in der Chemieindustrie Genauigkeiten von einem millionstel Gramm. Ein Auseinanderdriften der Massennormale könnte dazu führen, dass eine Präzisionswaage in Amerika anders misst als in Deutschland. Sollte der Pariser Platinklotz gar herunterfallen und eine Schramme bekommen wie die deutsche Kopie im Zweiten Weltkrieg, wäre das der Waagen-GAU. Und da ist noch etwas: Den Präzisionsphysikern scheint es einfach peinlich zu sein, dass die Masse heute noch auf einen Goldwürfel aus dem 19. Jahrhundert zurückgeführt wird. Daher plädiert Göbel für eine Neudefinition des Kilogramms mithilfe der modernen Physik – und das will einiges heißen.

Schließlich gehört das Kilogramm zusammen mit dem Meter zu den ersten Basis-Einheiten des Internationalen Einheitensystems. Nach dem Sturz der Monarchie wollten die französischen Revolutionäre Schluss machen mit dem Chaos aus Unzen und Pfund, Ellen und Fuß. Das Kilogramm wurde zunächst als Masse von einem Deziliter Wasser definiert. Bis sich andere Staaten Frankreich anschlossen, vergingen noch Jahre. In Frankfurt am Main waren damals noch 14 verschiedene Gewichtseinheiten in Gebrauch. Im Jahr 1875 trafen sich die Delegierten aus 17 Staaten zur feierlichen Unterzeichnung der „Meter-Konvention“ – das metrische System war geboren. Aus praktischen Gründen fertigte man ein Urmeter und ein Urkilogramm aus Platin an. Sie galten fortan als Mütter aller Längen- und Gewichtsmaße, die Mitgliedsstaaten der Meter-Konvention bekamen Kopien. In England und Amerika sind zwar noch Foot, Pound und Gallon im Alltag gebräuchlich, aber in der Wissenschaft und im internationalen Handel hat sich das metrische System weitgehend durchgesetzt.

Nun wollen die Physiker das Kilogramm ebenso wie die Sekunde und das Meter auf Naturkonstanten zurückführen, nicht auf einen menschgemachten Platinwürfel. (Auf die Naturkonstanten ist zwar auch kein Verlass mehr, siehe ZEIT Nr. 2/03, aber für die geforderte Genauigkeit reichen sie allemal.) So ist die Sekunde längst nicht mehr aus der Erdumdrehung abgeleitet, sondern als charakteristische Resonanzfrequenz eines Cäsium-Atoms definiert. Das klingt absurd, ist aber sinnvoll, denn nichts beherrschen die Physiker besser als die Zeitmessung mithilfe von Atomuhren. Cäsium-Atomuhren gehen in 30 Millionen Jahren höchstens eine Sekunde falsch. Und Cäsium-Atome haben in Braunschweig dieselbe Resonanzfrequenz wie in Paris, Tokyo oder auf dem Mond. Auch das alte Pariser Urmeter, das zusammen mit dem Urkilogramm gefertigt wurde, hat nur noch historischen Wert. Inzwischen ist das Meter als die Strecke definiert, die Licht während der Dauer von 1/299792458 Sekunde zurücklegt.

Für die Masse bietet die Natur ebenfalls eine unveränderliche Konstante: die Masse eines Atoms. Die Definition könnte lauten: „Ein Kilogramm ist gleich der Masse von N Siliziumatomen“ – wobei N eine Zahl mit 25 Stellen wäre. Das hätte den Charme, dass jedes Labor mit Werkzeugen zum Atome-Zählen sich eine eigene Referenz-Masse basteln könnte. Vor ein paar Wochen haben die Partnerländer beschlossen, aus Russland fünf Kilogramm hoch reines Silizium zu kaufen. Daraus wollen die Forscher eine möglichst perfekte Testkugel herstellen. Bevor sie den Pariser Prototyp durch eine neue Definition vom Sockel stürzen, müssen sie aber erst nachprüfen, ob in der neuen Silizium-Kugel genau die richtige Anzahl Atome enthalten ist.

Müsste man jedes Atom einzeln zählen, dauerte das Jahrmillionen. Aber es gibt einen Ausweg. „Das Prinzip ist ganz einfach“, sagt Projektleiter Peter Becker. Bei einem großen Stapel Kisten genügt es, die Kisten an der Längsseite, an der Breitseite und in der Höhe zu zählen. Durch Multiplikation erhält man die Gesamtzahl der Kisten in dem Stapel. „Genauso machen wir es mit der Silizium-Kugel.“ Für den Kistentrick eignet sich eine Kugel besser als ein Würfel, weil man statt drei Kanten nur den Durchmesser bestimmen muss. Beckers Abteilung misst den Platzbedarf eines einzelnen Atoms mithilfe von Röntgenstrahlung. Kollege Nicolaus bestimmt das Volumen der Kugel. Teilt man das Kugelvolumen durch das Atomvolumen, ergibt sich die Zahl der Atome in der Kugel.

Die Anforderungen an die Messgenauigkeit sind allerdings enorm. Die Silizium-Kugeln sollen mit dem aktuellen Urkilogramm bis auf 0,00000001 Kilogramm übereinstimmen. Erst wenn das geschafft ist, kommt das alte Kilo ins Museum. Jetzt erreichen die Forscher sieben Stellen nach dem Komma, und das ist bereits eine Kunst. Schon eine dünne Oxidschicht auf der Kugel macht sich beim Wiegen bemerkbar, ebenso kleine Kratzer oder Dellen. „Bei acht Dezimalstellen kommen wir richtig ins Schwitzen“, sagt Arnold Nicolaus, der den Durchmesser bestimmen muss. Manchmal verbringt er drei Tage, um den Laser zu justieren, mit dem er die Testkugel bestrahlt. Aus den Spiegelungen berechnet er den Durchmesser der Kugel an 60000 Punkten. Weil kleinste Temperaturschwankungen die Messung stören, hat Nicolaus den Brutkasten gebaut.

Die Kugel in der Kiste stammt aus Australien. Dort arbeitet Achim Leistner, ein ausgewanderter Techniker aus Jena, im Dienst des metrologischen Staatsinstituts. In den fünfziger Jahren ist er bei Zeiss in die Lehre gegangen und hat Linsen geschliffen. Niemand poliert die Kugeln so rund wie er. Der Durchmesser ist überall bis auf wenige Nanometer gleich. Hätte Gott die Erde mit einer ähnlichen Präzision geschaffen, wäre der höchste Berg nur ein paar Meter hoch. „Mit dem Mount Everest käme die Erde bei mir nicht mal durch die Eingangskontrolle“, sagt Nicolaus. Die drei besten Kugeln des Sachsen werden derzeit zwischen den Maßwächtern Japans, Italiens und Deutschlands ausgetauscht und vermessen. Nur wenn alle Institute gleich viele Atome zählen, hat das neue Verfahren eine Chance.

Im Moment liegt allerdings die Konkurrenz mit dem „elektrischen Kilogramm“ vorn. Das Verfahren ist fünfmal so genau – und äußerst unanschaulich. „Watt-Waage“ heißt das Gerät, das am National Physics Laboratory in England und am National Institute of Standards and Technology (NIST) in den USA in Betrieb ist. Auch die Schweiz und Frankreich arbeiten dran. Zwei Stockwerke misst das Ungetüm am NIST. In ihm wird ein Gewicht mithilfe eines Elektromagneten in der Waage gehalten. Man vergleicht mechanische Leistung mit elektrischer Leistung. Eine Testmasse entspricht einem Kilogramm, wenn ein bestimmter Strom durch den Magneten fließt. Der Strom wiederum lässt sich auf eine Zeitmessung zurückführen – das Kilogramm wäre ein Kind der Sekunde.

Da schwindelt es selbst einem eingefleischten Maßhüter wie Peter Becker von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt: „Mit der Watt-Waage wird das Kilogramm über drei Ecken definiert, das kann man doch keinem mehr vermitteln.“ Becker fürchtet, dem Kilogramm könnte eines Tages ein Schicksal widerfahren wie dem Meter, das seit 1983 ebenfalls über eine Zeitmessung definiert ist. „So ein Schwachsinn, Entschuldigung“, entfährt es dem Physiker. Freilich weiß auch Becker, dass am Ende nicht die Anschauung, sondern die Genauigkeit entscheidet. Watt-Waagen messen inzwischen so präzise, dass man die subtilsten Störungen berücksichtigen muss. Im englischen Teddington, fernab jeder Küste, korrigieren die Forscher ihre Daten mit einem Tidenkalender, weil die weit entfernten Ozeane im 6-Stunden-Takt die Gewichtsmessung beeinflussen.

Die Watt-Waage der amerikanischen Kollegen wird vom Atmen gestört. Arbeiten mehrere Leute im Labor, steigt der Kohlendioxidgehalt der Luft. Das verändert die Genauigkeit eines Laserstrahls, mit dem einige Abstände gemessen werden. Bei ihrer letzten Messung stellten die NIST-Forscher einen neuen Präzisionsrekord für das Kilogramm auf, doch bei knapp sieben Dezimalstellen war Schluss. Jetzt haben sie die Apparatur in eine Vakuum-Kammer verlegt, frei von Mundgeruch und Kohlendioxid. In den nächsten Wochen wollen sie zeigen, dass die Watt-Waage die magische Genauigkeit von acht Dezimalstellen erreichen kann.

Wer gewinnt den Wettlauf um das Kilogramm – die Silizium-Kugel oder die Wattwaage? Terry Quinn, als Direktor des Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) der Kofi Annan des Einheitensystems, formuliert diplomatisch: „Beide Versuche machen Fortschritte. Man kann derzeit nicht sagen, welcher von beiden der beste ist.“ Gleichwohl hat auch Quinn begonnen, eine Watt-Waage am BIPM zu bauen. Eine Vorentscheidung? PTB-Chef Ernst Göbel begrüßt den Wettstreit. Erst wenn zwei unabhängige Methoden zum gleichen Ergebnis kämen, ließen sich Fehlerquellen ausschließen. „Danach kann die Neudefinition kommen.“ Die PTB betreibt neben der Silizium-Kugel noch ein weiteres Experiment, bei dem einzelne Gold-Atome in einen Behälter geschossen und anschließend gewogen werden. Das Kilogramm ließe sich in diesem Fall als festgelegte Anzahl von Gold-Atomen definieren. Es werden noch ein paar Jahre vergehen, bevor die Gold-Waage mit den anderen Ansätzen konkurrieren kann.

Die Anhänger der Watt-Waage haben allerdings unlängst einen Dämpfer erlitten. Die in England und den USA gemessenen Werte liegen einen Faktor zehn auseinander. An der PTB kritisiert man hinter vorgehaltener Hand die Amerikaner, die ihre Forschungsergebnisse auf vier Seiten in den prestigeträchtigen Physical Review Letters publiziert haben statt wie üblich mit seitenlangen Fehlerabschätzungen im Fachblatt Metrologia. „Wir werden das nachholen“, verspricht Richard Steiner vom NIST. Unterdessen wartet man gespannt auf die ersten Ergebnisse der Schweizer Watt-Waage, die in einigen Monaten vorliegen sollen.

Auch die Silizium-Fraktion musste sich eingestehen, in einer Sackgasse zu stecken. Silizium kommt in der Natur in drei verschiedenen Isotopen vor, deren Massen um ein paar Prozent voneinander abweichen. Nur wenn man weiß, aus welchen Isotopen die schwarzen Kugeln zusammengesetzt sind, bleibt die Unsicherheit klein. Peter Becker schickte ein paar Proben an ein belgisches Speziallabor. Doch die Analyse ist zu ungenau. Die frustrierten Forscher standen kurz vor dem Aufgeben.

Als letzten Ausweg, doch die gewünschte Genauigkeit zu erreichen, hoffen sie nun auf das russische Silizium. Es stammt aus einer Fabrik bei Moskau, in der früher Uran für Atombomben angereichert wurde, und soll zu 99,99 Prozent aus einem Isotop bestehen. Die metrologischen Institute aus Japan, Deutschland, Italien und Australien wollen für zwei Millionen Euro fünf Kilogramm davon kaufen. Im März wird die Internationale Organisation für die Nichtverbreitung von Waffentechnik (ISTC) entscheiden, ob sie den Deal als friedensstiftende Maßnahme mit einigen hunderttausend Euro bezuschusst.

Die Deutschen werden aus dem teuren Stoff einen Kristall züchten, Achim Leistner wird daraus in Australien eine Kugel schleifen, und Arnold Nicolaus wird nachmessen, ob das Baby auch schön rund geworden ist. Und exakt 1000 Gramm schwer, man wünscht es ihnen.