Wie ein Nobelpreis der Physik zur Neudefinition des Kilogramms führte

Der 20. Mai 2019, markiert einen wichtigen Meilenstein in der Geschichte der Messkunde. Die Definitionen der Grundeinheiten des Internationalen Einheitensystems (System of Units, SI) werden von nun an vollständig auf Naturkonstanten wie etwa der Lichtgeschwindigkeit oder der Avogadro-Zahl beruhen – und nicht mehr länger auf menschlichen Artefakten. Das Kilogramm, die SI-Einheit, die sich am längsten gehalten hat und bislang von dem als ‚Le Grand K‘ oder Ur-Kilogramm bezeichneten Platin-Iridium-Zylinder abgeleitet wurde, definiert sich zukünftig über die Planck-Konstante.

Physikalische Konstanten sind im Gegensatz zu physikalischen Objekten von Natur aus stabil und ihre Eigenschaften unterliegen keinerlei Schwankungen. Daher bleiben die Definitionen aller sieben SI-Grundeinheiten – Sekunde, Meter, Kilogramm, Ampere, Kelvin, Mol und Candela – für ihre zahllosen Anwendungsbereiche in Wissenschaft, Produktion, Handel und anderen Industriezweigen, in denen eine nahezu perfekte Eichung erforderlich ist, präzise und unveränderbar.

Das Ende des Ur-Kilogramms

Was aber entthronte Le Grand K, das fast 130 Jahre lang fester Bestandteil wissenschaftlicher Messungen war? Die Neudefinition des Kilogramms wurde erst durch die bahnbrechende Entdeckung des Quanten-Hall-Effekts durch den deutschen Physiker Klaus von Klitzing im Jahr 1980 möglich. Die wissenschaftliche Fachwelt erkannte schon damals die Bedeutung dieser Entdeckung, für die von Klitzing bereits fünf Jahre später den Nobelpreis für Physik erhielt.

„Zum Zeitpunkt der Entdeckung des Effekts hätte ich niemals gedacht, dass er Auswirkungen auf das Kilogramm haben könnte“, sagte von Klitzing während seines Vortrags in Lindau im Jahr 2016, in dem er den Beitrag seiner dem Nobelpreis zugrundliegenden Arbeit zum neuen und verbesserten SI erläuterte. Von Klitzing wird auch bei der 69. Lindauer Nobelpreisträgertagung in diesem Jahr anwesend sein.

Beim Quanten-Hall-Effekt handelt es sich um eine quantenmechanische Version des herkömmlichen Hall-Effekts, der erstmals 1879 von dem amerikanischen Physiker Edwin Hall entdeckt wurde. Während seines Studiums an der Johns Hopkins University stellte dieser fest, dass es beim Anlegen eines Magnetfelds senkrecht zu einem dünnen Metallblech, durch das ein elektrischer Strom fließt, zwischen den beiden Seiten des Blechs zu einer geringen Spannung kommt. Das Magnetfeld übt eine Kraft auf die sich bewegenden elektrischen Ladungen aus. Die Ladungsanreicherung auf einer Seite des Leiters bewirkt, dass die andere Seite entgegengesetzt geladen ist, was zu dem beobachteten Potentialunterschied führt.

Entdeckung des Quanten-Hall-Effekts

Von Klitzing wollte diesen Hall-Effekt unter extremeren Bedingungen, das heißt bei sehr niedrigen Temperaturen und in einem erheblich stärkeren Magnetfeld beobachten. Er führte Experimente mit zweidimensionalen Elektronensystemen durch, bei denen sich Elektronen innerhalb einer extrem dünnen Schicht bewegen mussten, wobei er das Magnetfeld schrittweise veränderte. Überraschenderweise stellte er fest, dass sich der beobachtete Hall-Widerstand – das Verhältnis von erzeugter Spannung zum Strom – in einzelnen Stufen mit außergewöhnlich hoher Präzision veränderte.

Anders ausgedrückt war der Hall-Widerstand exakt quantisiert. Das Widerstandsquantum h/e2, bei dem e die Elektronenladung und h die Planck-Konstante ist, ist heute als Von-Klitzing-Konstante bekannt. Aufgrund ihrer außergewöhnlich hohen Präzision wird die Von-Klitzing-Konstante seit 1990 weltweit zur Widerstandskalibrierung eingesetzt.

In Kombination mit der Josephson-Konstante (KJ = 2e/h), die von einem anderen elektrischen Phänomen, dem sogenannten Josephson-Effekt, herrührt, lässt sich mittels der Von-Klitzing-Konstante (RK = h/e2) in Experimenten eine Verbindung zwischen der Masse und der Planck-Konstante herstellen. 1999 schlugen die Wissenschaftler Peter Mohr und Barry Taylor vom National Institute of Standards and Technology – motiviert durch den jüngsten Fortschritt bei der Entwicklung der Kibble-Waageeine Neudefinition des Kilogramms mithilfe eines solchen Verfahrens vor. Mit der auch als ‚Watt-Waage‘ bekannten Vorrichtung lässt sich Masse anhand elektrischer Messungen präzise bestimmen.

„Diese beiden Konstanten bilden den Ausgangspunkt für die Veränderung, die bei unserem Einheitensystem in der Zukunft voraussichtlich erfolgen wird“, erklärte von Klitzing 2016 vor der formellen Anerkennung der überarbeiteten Definitionen. „Der Josephson-Effekt und der Quanten-Hall-Effekt sind die treibende Kraft hinter der 2018 zu erwartenden Änderung des SI.“

Das neue und verbesserte Einheitensystem

Vertreter aus mehr als 60 Ländern stimmten auf der 26. Tagung der Generalkonferenz für Maß und Gewicht im November 2018 in Frankreich für eine Neudefinition des Kilogramms anhand der Planck-Konstante. Laut Beschluss tritt das neue SI am heutigen Weltmetrologietag, der in diesem Jahr unter dem Motto „Das Internationale Einheitensystem – fundamental besser“ steht, in Kraft. Das Datum selbst, der 20. Mai, verweist auf die Unterzeichnung der Meterkonvention im Jahr 1875 durch Vertreter aller siebzehn Gründernationen des Internationalen Büros für Maß und Gewicht (IBMG).

Auch wenn die meisten von uns keinen Unterschied im Alltag bemerken werden, verbessert das neue SI die Messgenauigkeit in der Nanotechnologie, Kommunikation, Sicherheit, Medizin und bei neu entstehenden Technologien wie dem Quantencomputer. Anders ausgedrückt hat das „fundamental bessere“ SI also unter Umständen keine direkten Folgen für uns, führt aber in zahllosen Anwendungsbereichen, die erhebliche Auswirkungen auf die Gesellschaft haben, zu einer größeren Stabilität und Präzision.

Meeri Kim

About Meeri Kim

Meeri N. Kim, PhD works as a science writer who contributes regularly to The Washington Post, Philly Voice, and Oncology Times. She writes for The Washington Post’s blog “To Your Health,” has a column for Philly Voice called “The Science of Everything,” and her work has also appeared in The Philadelphia Inquirer, Edible Philly, and LivableFuture. In 2013, Meeri received a PhD in physics from the University of Pennsylvania for her work in biomedical optics.

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