16.11.2018

Naturkonstanten für alle SI-Einheiten

Generalkonferenz für Maß und Gewicht verab­schiedet Revision des Inter­nationalen Einheiten­systems.

Die Staaten der Meter­konvention haben auf ihrer 26. General­konferenz für Maße und Gewichte – Conférence Générale des Poids et Mesures, CGPM – heute in Versailles eine grund­legende Revision des Inter­nationalen Einheiten­systems (SI) beschlossen. In Zukunft werden sich alle SI-Einheiten auf die festge­legten Werte von sieben ausgewählten Natur­konstanten beziehen. Die General­konferenz folgt damit einer Empfehlung des Inter­nationalen Komitees für Maße und Gewichte – Comité Inter­national des Poids et Mesures, CIPM, des höchsten Experten­gremiums in der Welt der Metrologie. Die Neudefi­nitionen werden am 20. Mai 2019, dem Welt­metrologietag, in Kraft treten.

Abb.: Kurz vor der entscheidenden Abstimmung, bei der alle 60 Delegierten aus der ganzen Welt das neue SI annahmen: Nobelpreisträger Bill Phillips (NIST, USA) bei seinem Vortrag über die Wege hin zu einem Einheitensystem, das auf Fundamentalkonstanten beruht. (Bild: A. Nicolaus, PTB)

Die Idee, eine Maßeinheit auf der Basis von Natur­konstanten zu definieren, ist prinzipiell nicht neu. Was bei der Definition der Sekunde mittels Atomuhren vor fünfzig Jahren und bei der Definition des Meters mithilfe der Lichtge­schwindigkeit vor über dreißig Jahren begonnen wurde, wird nun für alle Einheiten im Inter­nationalen Einheiten­system fortgesetzt. Vier weitere Konstanten spielen dabei die Haupt­rollen: das Planck’sche Wirkungs­quantum h, die Avogadro­konstante NA, die Boltzmann­konstante 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 nationalen 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, etwa 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 neuen SI wird es keine definitions­bedingten Schwankungen mehr geben, da die Natur­konstanten verbindlich fest­gelegte Werte bekommen. Damit wird das so neu definierte Kilogramm stabil für alle Zeiten sein. Ein Urkilo­gramm, dessen Masse sich verändert, ist dann Geschichte. Alle elek­trischen Einheiten inklusive des Ampere werden als Quanten­realisierungen – über den Josephson- und den Quanten-Hall-Effekt oder durch Zählen von Elektronen pro Zeit – Teil des Systems. Und nicht zuletzt wird das Mol nun auch defini­torisch über eine festgelegte Anzahl von Teilchen – die Avogadro-Konstante – einer spezi­fizierten Substanz erfasst.

Abb.: Im Avogadro-Experiment wurden anhand nahezu perfekter Einkristallkugeln aus Silizium gleich zwei Naturkonstanten bestimmt: die Avogadro-Konstante und das Planck‘sche Wirkungsquantum. Nach der Festlegung der Konstanten sind derartige Si-Kugeln eine Möglichkeit, das Kilogramm zu realisieren. (Bild: PTB)

Daher gilt im neuen SI: 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 Mess­genauigkeit 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 Wissen­schaft tritt der Fortschritt dagegen sofort ein, sobald die Neudefi­nitionen verabschiedet sind. Für die Technik zeigen sich die Fort­schritte als Langzeit­wirkung. 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.

PTB / JOL

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