30-jähriges Jubiläum für den Meter

Der Meter hat einen langen Weg hinter sich. Seine vielen Vorgänger um Elle und Fuß waren von den Körpermaßen regionaler Herrscher abgeleitet und entsprechend vielfältig. Das älteste bekannte Längenmaß, die Nippur-Elle aus Mesopotamien, wird auf die erste Hälfte des 3. vorchristlichen Jahrtausends datiert. Sie war 51,8 Zentimeter lang. Schon damals wurden Primärnormale solcher Maße zum Beispiel aus Granit hergestellt, die der Weitergabe der Einheit für den Handel dienten. Auch der berühmte Urmeter ist ein reales Objekt – ein Stab aus einer Edelmetall-Legierung.

Doch im Geist der französischen Revolution sollte die Längeneinheit der neuen Zeit nicht mehr auf den zufälligen Körpermaßen eines Herrschers basieren, sondern auf einer überall gültigen Konstanten. Dafür wählte ein von der französischen Nationalversammlung beauftragtes Komitee den damals durch Paris verlaufenden Nullmeridian. Dessen zehnmillionster Teil auf der Strecke zwischen Nordpol und Äquator sollte den neuen Meter ausmachen. Mittels Triangulation maßen zwei Astronomen in einem aufwändigen Verfahren einen Teilabschnitt des Meridians zwischen Barcelona und Dünkirchen und ermittelten daraus die Gesamtlänge des Längengrades. Im Dezember 1799 wurde der Meter schließlich in Platin gegossen. Doch erst 1875 erhielt der Meter seine allgemeine Gültigkeit, zumindest in den 17 Staaten, die damals die Meterkonvention unterzeichneten.

Der Prototyp wurde 1889 durch einen stabileren Platin-Iridium-Stab ersetzt, von dem dreißig Kopien angefertigt und an die Mitgliedsstaaten der Meterkonvention verteilt wurden. Ein Meter war nun der „Abstand der Mittelstriche der auf dem Urmeterstab in Sè vres angebrachten Strichgruppe bei 0 Grad Celsius“. Die Angabe der Temperatur deutet das Problem dieser Definition bereits an: Die Einheit war abhängig von äußeren Parametern wie der Temperatur. Außerdem ist ein materielles Objekt wie ein Metallstab zeitlich nicht stabil. Eine orts- und zeitunabhängige Konstante musste her. Diese fanden Metrologen in den Wellenlängen von Licht.

Die PTB-Wissenschaftler Wilhelm Kösters und Johann Engelhard entwickelten schließlich ein Messsystem und eine Kryptonlampe mit einer bis dahin unerreichten Stabilität und Reproduzierbarkeit der Wellenlänge. In der Lampe wurden Kryptonatome zu einem Elektronenübergang angeregt, bei dem rotes Licht einer genau bestimmten Wellenlänge entstand. 1960 folgte die Neudefinition des Meters als das „1.650.763,73-fache der Vakuumwellenlänge des Lichts, das von einem Krypton-86-Atom ausgesandt wird“.

Damit wurde der Meter zum „Musterknaben“ des SI-Systems, zur ersten Einheit, die auf eine atomare Konstante zurückgeführt wurde. Mit der Kryptonlampe der PTB erreichte man eine Reduzierung der relativen Messunsicherheit um den Faktor 10 auf 10^–8. Doch die Entdeckung des Lasers stellte eine ständige und immer kurzschrittigere Anpassung der Meterdefinition an die technische Entwicklung in Aussicht. Darum wurde die Längeneinheit schließlich an eine unveränderliche Naturkonstante gebunden. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum wurde auf exakt 299.792.458 m/s festgelegt und der Meter am 20. Oktober 1983 von der 17. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) entsprechend über die Sekunde definiert. Seitdem gilt diese Definition über eine fundamentale Konstante als Vorbild für die anderen Einheiten des SI-Systems.

Die naheliegendste Anwendung dieser Definition ist die Längenmessung über die Zeit. So kann beispielsweise der Abstand des Mondes von der Erde zentimetergenau mit Hilfe von Laserimpulsen gemessen werden, die von Spiegeln auf der Mondoberfläche reflektiert werden. Dieses Verfahren eignet sich vor allem bei großen Entfernungen. Im Kleinen stößt sie aber an ihre Grenzen. Um auch bei kleinen Längen hohe Genauigkeit zu erreichen, verwendet die PTB zur Längenmessung genau bekannte Wellenlängen. Laser mit stabilen Frequenzen dienen als sogenannte Wellenlängennormale und der Fachbereich „Quantenoptik und Längeneinheit“ beschäftigt sich mit der Entwicklung immer stabilerer Laser, die mittlerweile Unsicherheiten von 10^-15 bei Frequenzen um 429 Terahertz erreichen.

Doch wie misst man damit reale Gegenstände? Mit dieser Aufgabe beschäftigt sich der Fachbereich „Interferometrie an Maßverkörperungen“. Bei der Längenmessung mittels Interferometrie vergleichen Forscher die zu bestimmende Länge mit der Wellenlänge eines Lasers. In der Realität spielen noch jede Menge weitere Faktoren wie Temperatur, Druck, Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts und vor allem der Brechungsindex der Luft eine Rolle. Diese Faktoren beeinflussen trotz der oben beschriebenen Frequenzstabilität der Laser die Genauigkeit einer Längenmessung stark. Trotzdem lässt sich die Länge von Bezugsnormalen mit Hilfe eines in der PTB entwickelten Ultrapräzisions-Interferometers auf unter einen Nanometer genau bestimmen.

PTB / DE