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maßstäbe Heft 12: Meilensteine

Vorwort

Liebe Leserin, lieber Leser,
wenn Sie auch schon einmal bei Ihrem Lieblingskonditor vor dem Kuchen- und Tortenbuffet standen und sich kaum entscheiden konnten, welchen Verlockungen Sie heute erliegen sollten, dann können Sie vielleicht mit der maßstäbe-Redaktion mitfühlen, die vor einem Buffet der besonderen Art stand: Statt Kuchenstücke galt es Messkunststücke auszuwählen. Im Gegensatz zu allen bisherigen maßstäbe-Ausgaben, die sich vornehmlich einer physikalischen Größe, einem Thema, einer Idee widmeten, sollte es diesmal eher eine Anthologie werden. Eine Zusammenschau der markantesten Gipfel aus 125 Jahren metrologischer Forschung, denn ebenso alt wurde die Physikalisch-Technische Bundesanstalt im letzten Jahr. Lax gesagt, wagen sich die maßstäbe mit dieser Ausgabe also an einige Meilensteine metrologischer Forschung in der PTB. Wie jede Sammlung, so begibt sich auch diese in Gefahr, als subjektive Auswahl geschmäht zu werden. Aber manchmal muss man mutig sein und – nach kritischer Debatte – eine Entscheidung treffen. Aufgenommen in die Sammlung der wissenschaftlichen Achttausender wurden dabei weniger messtechnische Solitäre, sondern vielmehr nachhaltige Themen, welche die PTB und mithin die Metrologie nicht nur bis in die Gegenwart, sondern gewiss bis weit in die Zukunft beschäftigen werden. Besteigen Sie also mit den Autoren und Redakteuren als Sherpas einige dieser Gipfel, auf denen zahlreiche physikalische Einheiten und messtechnische Methoden zu finden sind. Der Ausblick wird Sie – so hoffe ich – für vielleicht manche Mühen des Aufstiegs belohnen. Ob das Gipfelrestaurant Ihre Lieblingstorte im Angebot hat?

Das hofft, im Namen der gesamten maßstäbe-Redaktion,

Ihr Jens Simon

Bevor sich die maßstäbe-Redaktion an diesem üppigen Buffet stärken konnte, hat sie sich erst einmal personell verstärkt und eine Gastredakteurin eingeladen – allerdings nicht nur zum Schmausen. Von links nach rechts: Imke Frischmuth, Alberto Parra del Riego, Brigitte Röthlein (Ganz vielen Dank, Brigitte!), Jens Simon, Erika Schow. (Foto: Susanne Stork/PTB)
Bevor sich die maßstäbe-Redaktion an diesem üppigen Buffet stärken konnte, hat sie sich erst einmal personell verstärkt und eine Gastredakteurin eingeladen – allerdings nicht nur zum Schmausen. Von links nach rechts: Imke Frischmuth, Alberto Parra del Riego, Brigitte Röthlein (Ganz vielen Dank, Brigitte!), Jens Simon, Erika Schow. (Foto: Susanne Stork/PTB)

Das Körnige

Foto: Marvin Rust/PTB
Foto: Marvin Rust/PTB

Autor: Jens Simon

Erwachsen werden ist nicht leicht, auch nicht für die Wissenschaft. Denn manchmal entdeckt sie Dinge, die einfach nicht ins Weltbild passen und alles ins Wanken bringen. Bis zum Ende des 19. Jahrhunderts war die Welt schön aufgeräumt. Planeten, Äpfel und Staubteilchen verhielten sich brav klassisch so, wie Newton es beschrieben hatte, das Licht und alle Erscheinungen des Elektromagnetismus waren von Maxwell sehr elegant mit einem kleinen Satz von Gleichungen gezähmt, und die Thermodynamik mit ihren schwergewichtigen Hauptsätzen wurde durch jede Erfahrung wieder und wieder bestätigt. Alles Wesentliche schien erkannt; eine wahre Wohlfühlatmosphäre für die Physiker. Doch dann schauten sich einige Künstler des Messens ein Objekt dieser Welt genauer an: den Schwarzen Körper. Ein Objekt, das alles auftreffende Licht vollständig absorbiert, also nichts reflektiert und daher ohne Farbe ist. Physiker an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (PTR) in Berlin untersuchten die Wärmestrahlung dieser Körper – und waren verblüfft. Die Ergebnisse passten einfach nicht in die Konzepte, die man sich von der Wärmestrahlung gemacht hatte. Max Planck war der erste, der diese Messungen ernst nahm und sie mithilfe einer aus der Luft gegriffenen Größe h zu beschreiben versuchte. Dies war die Geburtsstunde der Quantentheorie. Es dauerte dann allerdings Jahrzehnte, bis diese „verrückte“ Theorie, die die mikroskopische Welt unter der glatten, makroskopischen Oberfläche als körnig und stufig beschreibt und in der unsere gewöhnliche Logik außer Kraft gesetzt ist, verstanden und akzeptiert war; manche Revolutionen brauchen eben Zeit. Heute ist die Quantenmechanik die beste Beschreibung der Wirklichkeit, die wir haben. Und ihr messtechnischer Startpunkt lässt sich genau verorten: Optiklaboratorium, Physikalische Abteilung der PTR, Berlin-Charlottenburg.


Berechenbares „Licht“

Labor für Strahlungsmessungen in der PTR um 1900 (Foto: PTB)
Labor für Strahlungsmessungen in der PTR um 1900 (Foto: PTB)

Autor: Jens Simon

Mehr Licht ist das eine, besseres Licht das andere. Und das beste Licht ist solches, dessen Eigenschaften man bis ins Detail kennt. Im Idealfall lassen sich diese Eigenschaften dann sogar vorausberechnen. Diesem Ideal kommt die Physik in zwei Fällen sehr nah: mit dem Schwarzen Körper und mit dem Elektronenspeicherring.

Der Schwarze Körper (der nicht so heißt, weil er schwarz ist, sondern weil er alle auf ihn fallende Strahlung, also auch die nicht sichtbare, absorbiert) ist ein Kind der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts und beanspruchte für nahezu ein Jahrhundert das Privileg, die einzige berechenbare Strahlungsquelle zu sein...

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Warum im Jahr 1900 eine neue Physik nötig wurde

Spektrum der vom Schwarzen Körper emittierten Wärmestrahlung, wie sie um 1900 in der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt gemessen und mit dem Wien’schen Strahlungsgesetz.
Spektrum der vom Schwarzen Körper emittierten Wärmestrahlung, wie sie um 1900 in der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt gemessen und mit dem Wien’schen Strahlungsgesetz.

Autorin: Brigitte Röthlein

Hätten nicht Mitarbeiter der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt extrem genau gemessen, wäre die Quantenphysik vielleicht gar nicht, auf jeden Fall aber erst sehr viel später entstanden.

Ende des 19. Jahrhunderts bildete die Untersuchung und Messung der neu aufgekommenen elektrischen Lichtquellen ein wichtiges Arbeitsgebiet der PTR. Man versuchte vor allem herauszufinden, wie effizient elektrische Lampen waren. Gleichzeitig wollte man ein Normal für die Lichtstärke entwickeln. Dazu maßen die Physiker die abgegebene Lichtmenge und setzten sie in Bezug zur aufgenommenen Energie. Vor allem Otto Lummer, der die Leitung des optischen Labors innehatte, Willy Wien und Ferdinand Kurlbaum, alle drei Schüler des angesehenen PTR-Präsidenten Hermann von Helmholtz, engagierten sich bei diesen Messungen. Sie arbeiteten in erster Linie mit Schwarzen Körpern, die die gesamte Energie, die sie aufnehmen, wieder abstrahlen...

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Die Vermessung der Wärme

Foto: mauritius images / Image Source

Autor: Jens Simon

Schwarze Körper sind heiß begehrt – von mehreren tausend Grad Celsius abwärts bis weit in die „Gefrierzonen“ von unter minus hundert Grad. Seit mehr als 100 Jahren gelten Schwarze Körper als ideale Referenzobjekte für die berührungslose Temperaturmessung. Damit sie auch Weltraumflüge überstehen, versuchen Forscher, sie nun immer kleiner und robuster zu machen. Die PTB wird dabei gebraucht, denn ihre Experten können aufs Genaueste messen, wie schwarz ein Körper ist.

Unsere Erde hat Fieber, warnen Klimaforscher und schocken uns Jahr für Jahr mit neuen Horrormeldungen: Der Meeresspiegel steigt, die polaren Eiskappen schmelzen ab, die Atmosphäre heizt sich auf. Warum das so ist und in welchem Maß sich die Erde erwärmt, das sollen Klimamodelle erklären. Diese Modelle beziehen Hunderte von Parametern mit ein und werden immer feinmaschiger; die Computerleistung, um die Modelle wirklich rechnen zu können, jagt von Rekord zu Rekord. Und dennoch: Bislang weiß niemand, welches Modell das richtige ist, denn noch hat niemand die theoretischen Vorhersagen über einige Jahre hinweg mit realen Daten abgleichen können...

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Licht aus dem Kreisverkehr

Autor: Johannes Kaufmann

Man nehme ein geladenes Teilchen und schicke es mit nahezu Lichtgeschwindigkeit auf einen Rundkurs. Heraus kommt dann Licht ganz besonderer Qualität, nämlich sehr intensiv, brillant und farbenreich. Für die messenden Physiker der PTB ist dieses Licht so interessant, dass sie ihm eine eigene Forschungsanlage gebaut haben: die Metrology Light Source (MLS) in Berlin-Adlershof...

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Das Kalte

Foto: Caro/Teich

Autorin: Erika Schow

Wer sein Fahrrad am Morgen so vorfindet, kann die tägliche Radtour zur Arbeit wohl abschreiben. Wenn die Kälte zuschlägt, erstarrt die Welt. Geht man aber in die nicht mehr alltäglichen Tiefen hinunter, nah an den absoluten Nullpunkt heran, dann beginnt sich plötzlich wieder alles zu regen. Nur 9 Grad von „Null“ entfernt, bei minus 264 Grad Celsius, verlieren Elektronen alle Hemmungen und rauschen ungehindert durch die Landschaft (zumindest wenn diese aus bestimmten Metallen oder deren Legierungen besteht). Der geradezu magisch anmutende Vorgang der Supraleitung hat auch die Wissenschaftler der PTR und der PTB über viele Jahrzehnte hinweg in Bewegung gehalten. Staunend müssen sie vor den Phänomenen gestanden haben, die sich ihnen da boten: etwa vor der Tatsache, dass solch extreme Kälte in der Lage ist, Magnetfelder zu verdrängen. Bis heute können Physiker nicht vollständig erklären, was bei der Supraleitung abläuft. Aber sie können sie nutzen – etwa beim Biomagnetismus, dessen Zeitalter gerade erst begonnen hat. Dabei setzen die Wissenschaftler die Supraleitung so geschickt ein, dass selbst die ungeheuer schwachen Magnetfelder, die der menschliche Körper erzeugt, gemessen werden können. Während wir in der Nähe des absoluten Nullpunkts, nahe Null Kelvin, auf viele glückliche Wissenschaftler treffen, herrscht viel weiter oben auf der Skala, nahe Null Grad Celsius, eher eisige Ablehnung: Der Tripelpunkt muss weg; darin sind sich alle einig (jedenfalls wenn es um die Definition der Basiseinheit der Temperatur geht). Zwar hat auch dieser Moment, in dem Wasser gleichzeitig fest, gasförmig und flüssig vorliegt, etwas Magisches. Aber heute ist er den Wissenschaftlern doch zu flüchtig, zu wenig auf die ganz festen, konstanten Dinge der Welt ausgerichtet. Und so wird der Tripelpunkt als Grundlage für die SI-Basiseinheit Kelvin wohl in einigen Jahren ausgedient haben und von der Boltzmann-Konstante abgelöst werden. Womit wir wieder bei den Wünschen wären, die der Anblick unseres vereisten Fahrrades am Morgen eines neuen Arbeitstages auslösen dürfte: Bloß schnell weg mit dem Eis!


Magische Momente

Autorin: Erika Schow

Ausgerechnet ein Effekt, der Magnetfelder verdrängt – der Meißner-Ochsenfeld- Effekt – hilft PTB-Wissenschaftlern dabei, Magnetfelder zu messen. Eine Reise zu den grundverschiedenen Aspekten der „magischen“ Eigenschaft Supraleitung...

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Es muss nicht immer Wasser sein

Autor: Rainer Scharf

Bisher ist die Definition der Basiseinheit der Temperatur, Kelvin, auf den „zufälligen“ Eigenschaften des Wassers aufgebaut. Doch die Metrologen wollen auch sie auf unverrückbare Naturkonstanten beziehen. Das erfordert aufwendige und höchst genaue Messungen.

„Klimaanlagen im Intercity ausgefallen, Reisende stöhnten bei Temperaturen über 50 Grad.“ „Temperaturunterschiede auf der Rennstrecke machen Formel-1-Fahrern zu schaffen.“ „Du hast ja Temperatur!“ (Wobei jeder versteht, dass hiermit nicht nur die pure Anwesenheit von Körperwärme, sondern ein Zuviel davon gemeint ist.) Wenn es um die Temperatur geht, sind wir uns ausnahmsweise mal mit den Wissenschaftlern völlig einig: Sie ist eine ganz und gar gewohnte, allgegenwärtige Größe. Und in der Wissenschaft vom Messen, der Metrologie, ist die Temperatur mit großer Sicherheit die am häufigsten gemessene Größe überhaupt. Trotzdem macht sie es uns nicht allzu leicht. Preisfrage: Was gilt denn nun als die Grundlage der Temperatureinheit überhaupt: der absolute Nullpunkt? Oder doch eher der seltsame Punkt, an dem Wasser gleichzeitig fest, flüssig und gasförmig vorliegt? Wenn Sie jetzt auf beides getippt haben: hundert Punkte, der Kandidat!

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Die Reise nach unten

Mit diesem Mischkryostaten wird in der PTB die Basiseinheit Kelvin realisiert. (Foto: Steinmetz/Visum)
Mit diesem Mischkryostaten wird in der PTB die Basiseinheit Kelvin realisiert. (Foto: Steinmetz/Visum)

Autorin: Erika Schow

Sie ist die anhänglichste aller physikalischen Größen: Ohne die Temperatur läuft fast gar nichts, schon gar nicht in der PTB, der Hochburg des Messens. Egal, welche Größe man misst, fast immer muss man auch die Temperatur beachten. Es war nur folgerichtig, dass das Temperaturlabor unter den drei Laboren der frühen PTR das größte war. Schon damals hatte die PTR die Aufgabe, die Einheit der Temperatur zu „machen“ und weiterzugeben – auch wenn diese Aufgabe erst später im Einheiten- und Zeitgesetz formuliert wurde...

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Das Unsichtbare

Autorin: Imke Frischmuth

Das Unsichtbare ist ein idealer Anlass für Extreme. Da es in seiner Natur liegt, nicht bemerkt zu werden, beschäftigt es uns entweder gar nicht, oder aber wir verfallen ins Gegenteil: Überall könnte es lauern! Nirgendwo haben wir Sicherheit! Beides birgt Risiken – sowohl die unerkannte Gefahr als auch dauernde Sorge und Ungewissheit. Da der Mensch kein Sinnesorgan für Radioaktivität besitzt, muss er sich Messgeräte bauen – und zu bedienen wissen. Vor exakt 100 Jahren hat der Radioaktivitätsforscher und Erfinder des Geigerzählers, Hans Geiger, durch den Aufbau des Labors in der PTB (damals noch PTR) die Grundlagen dafür gelegt. Geiger musste sich unter anderem damit beschäftigen, ob Konsumgüter wie Zahnpasten, Salben, Damenstrümpfe oder Schokolade auch genug Strahlung abgaben, denn Radioaktivität galt zu seiner Zeit als Quell der Lebenskraft. Das war aus heutiger Sicht dann doch etwas voreilig. So auch die Begeisterung über die therapeutische Wirkung von Röntgenstrahlen. Sie führte erst einmal zu zahlreichen Verbrennungen, Geschwüren und amputierten Gliedmaßen. Inzwischen weiß man: Ob Schaden oder Nutzen überwiegen, hängt grundlegend von der Dosis und dem zielgerichteten Einsatz von ionisierender Strahlung ab.


Auf Spurensuche

Einmal wöchentlich macht sich Annette Wulf-Oppermann auf den Weg, um den Filter des Luftstaubsammlers auf dem PTBGelände auszuwechseln. Der Rahmen des Filters hat eine Kantenlänge von rund 60 Zentimetern und ist so schwer, dass sie ihn lieber zieht als trägt. (Fotos: Marvin Rust/PTB)
Einmal wöchentlich macht sich Annette Wulf-Oppermann auf den Weg, um den Filter des Luftstaubsammlers auf dem PTBGelände auszuwechseln. Der Rahmen des Filters hat eine Kantenlänge von rund 60 Zentimetern und ist so schwer, dass sie ihn lieber zieht als trägt. (Fotos: Marvin Rust/PTB)

Autorin: Imke Frischmuth

Manche stammen aus dem Silvesterfeuerwerk oder aus Kaminfeuern, andere aus Fukushima oder Tschernobyl – die akribische Suche nach Spuren radioaktiver Stoffe ist fast wie Detektivarbeit und führt schließlich zum Täter.

Medien sind schneller als der Wind. Die Bilder des von Erdbeben und Tsunami zerstörten japanischen Kernkraftwerks in Fukushima hatten Deutschland längst erreicht. 12 Tage später, am 24. März 2011, kam mit dem Wind der Staub. Herbert Wershofen bemerkte ihn bei der Analyse des bodennahen Luftstaubes: An den für Iod-131 und Cäsium-134 charakteristischen Stellen im Gammaspektrum erschienen kleine Erhöhungen...

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Ein Filter gibt seinen strahlenden Inhalt preis

Autorin: Imke Frischmuth

Schon im ersten Licht des Tages macht sich Annette Wulf-Oppermann auf den Weg zum Luftstaubsammler. Die Pharmazeutisch-Technische Assistentin klappt den Deckel des Blechkastens auf und nimmt den Filter mitsamt seinem schweren Metallrahmen heraus, um ihn gegen einen frischen zu ersetzen. Zurück im Labor löst sie die Schrauben des Rahmens, nimmt das ca. 60 cm × 60 cm große Filterpapier heraus, lässt es eine Weile trocknen und faltet es dann kunstvoll in einen Marinelli-Becher...

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Zwischen Therapie und Bombe – Radioaktivität in der Forschung

Elf Meter langer Elektronenbeschleuniger für die medizintechnische Forschung. (Foto: PTB)
Elf Meter langer Elektronenbeschleuniger für die medizintechnische Forschung. (Foto: PTB)

Autorin: Imke Frischmuth

Es gibt Forschungszweige, in denen zieht sich der gleiche Schwerpunkt schnurgerade wie eine Autobahn von den Anfängen bis in die heutige Zeit. So ist es zum Beispiel genau einhundert Jahre her, dass Hans Geiger das Labor für Radioaktivität an der damaligen PTR aufbaute. Bis heute wird in diesem Bereich Forschung auf höchstem Niveau betrieben, wenn es um medizinische Anwendungen von Strahlung geht. Weitere Themen, die dem Schutz der Bevölkerung dienen, sind hinzugekommen, wie die Messung von Umweltradioaktivität oder die Kalibrierung von Dosismessgeräten...

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Hans Geiger und die PTR

Autorin: Imke Frischmuth

Als Hans Geiger 1912 zur Physikalisch-Technischen Reichsanstalt nach berlin kam, galt er bereits als internationale Autorität für die Messung von Radioaktivität...

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Die Tücken der Dosismessung

Blick in das „Wasserphantom“ der PTB: In diesem Wasserkalorimeter befinden sich drei Sensoren– ein runder und zwei stiftförmige,
die man Ionisationskammern nennt. Sie werden hier kalibriert, um später ihrerseits in Kliniken Bestrahlungsgeräte zu kalibrieren.
Nur an einem

Autorin: Ute Kehse

Röntgen- und Elektronenstrahlen spielen schon seit ihrer Entdeckung eine wichtige Rolle in der Krebstherapie. Mit welcher Dosis ein Patient bestrahlt wird, ist gerade bei den neuesten Therapiemethoden immer noch äußerst schwierig zu messen. PTB-Forscher arbeiten daran, bestehende Dosismessverfahren zu verbessern und neue zu entwickeln...

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Die Zähmung der X-Strahlen

Mit diesem Bild wurde die Hand von Anna Bertha Röntgen weltberühmt: Ihrem Ehemann Wilhelm Conrad Röntgen gelang diese Aufnahme am 22. Dezember 1895.
(Foto: Science Photo Library)

Autorin: Ute Kehse

Bereits wenige Jahre nachdem Wilhelm Conrad Röntgen die „X-Strahlen“ 1895 entdeckt hatte, wurde erstmals Hautkrebs mit Röntgenstrahlung behandelt. Über die richtige Dosierung machte sich anfangs niemand Gedanken, es gab nicht einmal eine Messmethode dafür...

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Das Schnelle

Foto: Swiss Timing

Autorin: Erika Schow

„Immer schneller!“ Mit diesem Motto schindet sich ein 100-Meter-Läufer jahrelang. Dasselbe Motto treibt einige Physiker dazu, sich viele Jahre im Labor zu mühen, um nicht ihre eigenen Beine, sondern ihre Uhren schneller zu machen. Je öfter deren Pendel pro Sekunde hin und her schwingt, desto genauer lässt sich die Sekunde unterteilen – und umso genauer geht die Uhr. Ab 1920 gab es die ersten Quarzuhren, deren „Pendel“ ein Piezo-Kristall war und rund 33 000-mal pro Sekunde hin und her schwang. 1932 bauten Adolf Scheibe und Ulrich Adelsberger in der PTR Quarzuhren, die pro Tag nur etwa 200 Mikrosekunden falsch gingen. Damit wiesen sie nach, dass das allererste „Pendel“ der Menschheit und bis dato die Grundlage der Sekunden-Definition, nämlich die Erde, sich viel ungleichmäßiger dreht als die neuen Uhren. Schließlich wurde die Erde für diesen Zweck aus dem Verkehr gezogen: Ab 1967 galt die „atomare“  Sekunde. Das „Pendel“ einer Atomuhr sind Vorgänge in der Elektronenhülle des Cäsium-Atoms, die per Mikrowellenstrahlung angeregt werden. Am besten wirkt eine ganz bestimmte Frequenz. Und so schwingt das „Pendel“ einer Cäsium-Atomuhr rund 9 Milliarden mal pro Sekunde hin und her. Aber das reicht den Physikern noch nicht. Die Uhren der Zukunft haben Pendel mit Frequenzen im Terahertz-Bereich – eine unvorstellbare Zahl von rund 1012 Schwingungen pro Sekunde. Allein in der PTB liefern sich optische Uhren mit Strontium-, Ytterbium- und Aluminium-Ionen einen Wettlauf um die Genaueste ihrer Art; anderswo in der Welt liegen optische Uhren mit Quecksilber gut im Rennen. Wer von ihnen gewinnt, wird aber nicht nur von den Geschwindigkeiten ihrer Pendel abhängen. Dies ist ein Wettkampf der Stabilitäten, der Randbedingungen und quantenmechanischen Unwägbarkeiten. Wie schön einfach (und schneller entschieden) ist dagegen ein sportlicher Wettkampf!


Normal-Zeit

Urania-Säule (Quelle: Deutsche Uhrmacher-Zeitung 1892)

Autorin: Erika Schow

Sie verhüllten sich schamhaft mit einem Vorhang, wenn sie mehr als zehn Sekunden von der korrekten Zeit abwichen: 30 sogenannte Urania-Säulen standen 1891 in Berlin. Über Informationen, etwa zum Wetter, prangte eine Uhr, die mittels eines ausgeklügelten Mechanismus in der Regel auf eine Sekunde genau ging. Wilhelm Foerster, Direktor der Berliner Sternwarte, hatte sie aufstellen lassen, weil immer mehr Uhrmacher in der Sternwarte die genaue Zeit erfragten und die Astronomen von ihrer übrigen Arbeit abhielten – und weil ihm die Aussendung der genauen Zeit persönlich am Herzen lag...

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Am Puls der Zeit

Das „Herz“ einer optischen Uhr. Der besonders weiß leuchtende Fleck in der Mitte besteht aus rund 10 Millionen Strontium-Atomen. (Foto: Steinmetz/Visum)

Autor: Evdoxia Tsakiridou

Seit Jahrzehnten ist die PTB für die exakte Bestimmung der Uhrzeit verantwortlich. Derzeit arbeiten die PTB-Forscher an optischen Uhren, die um den Faktor 100 präziser sein werden als konventionelle Atomuhren. Sie messen die Zeit mithilfe eines Lichtfelds.

So muss man sich also das Pendel einer Hightech- Uhr vorstellen: unzählige Linsen, Spiegel, Blenden, Fotoverschlüsse und Strahlteiler, angeordnet in exakten Abständen und Winkeln auf einer Art Podest, das fast so aussieht wie eine Carrera-Bahn. Hinten rechts leuchten blaue Strahlen, in der Mitte fällt eine rote Lichtstrecke ins Auge. Nur dass nicht Miniaturautos da entlangfahren, sondern Lichtteilchen auf festgelegten „Routen“ umherflitzen...

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Reichs-Gesetzblatt Nr. 7

Das erste Gesetz zur einheitlichen Zeitangabe in Deutschland erließ Kaiser Wilhelm II am 12. März 1893.

Inhalt: Gesetz, betreffend die Einführung einer einheitlichen Zeitbestimmung...

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Je genauer der Takt, desto besser

Abbildung: ESA/J. Huart

Autor: br

Dass man immer genauere Uhren entwickelt, ist kein Selbstzweck und keine physikalische Spielerei. Ganz im Gegenteil. Schon im Alltag begleiten uns Anwendungen der hochgenauen Zeitmessung. So müssen GPS-Empfänger stets die Signale von mehreren Satelliten vergleichen, die genau zur selben Zeit gesendet wurden, damit man den Standort eines Navis möglichst zuverlässig berechnen kann. Käme einer der Satelliten nur geringfügig aus dem Takt, wäre es sofort vorbei mit der metergenauen Positionsbestimmung...

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Das Kurze

Ausschnitt aus der TV-Dokumentation „Das Geheimnis der Zwerge“ von Sven Hartung. (Quelle: Miramedia)

Autorin: Erika Schow

Haben Sie als Kind auch Märchen geliebt? Ach, diese verzauberte Welt mit ihren schönen Prinzen, bösen Wölfen oder Hexen! Und dann die Zwerge: skurril, fremd und nicht immer sonderlich freundlich. Kein Witz: Es gab sie tatsächlich, sie waren von Fleisch und Blut und kamen im 15. und 16. Jahrhundert aus Venedig: kleinwüchsige Männer, hochgebildet, im geheimen Auftrag unterwegs, um fern ihrer Heimat die unerlässlichen Rohstoffe für das berühmte blaue Glas, das damals nur die Venezianer herstellen konnten, zu rauben. Sie trieben niedrige Stollen in die Berge, klopften jahrelang im Geheimen herum und hatten wenig Interesse aufzufallen. Wer sie trotzdem traf, dem kamen die kleinen Männer sicher fremd und doch faszinierend vor. Überhaupt hat das Kleine eine große Faszination für uns – vor allem wenn es mit dem bloßen Auge nicht mehr sichtbar ist. Dabei soll „da unten“ ja eine ganz andere Welt sein, in der teilweise sogar eigene Gesetze gelten. Aber wir können nicht unsere Augen nutzen, sondern sind auf Maschinen angewiesen, um in diese Welt hineinzuschauen: etwa Nanometerkomparatoren, Interferometer, Rastersondenmikroskope. Sie liefern bisweilen schöne Bilder. Aber es ist recht schwer zu verstehen, wie die zustande gekommen sind und wie es gelingt, damit eine Länge auf wenige Nanometer – also bis auf einige Atomdurchmesser – genau zu messen. Wie einfach war es doch damals mit dem Urmeter: Unbekannte Länge danebengelegt, verglichen, fertig. Kein Wunder, dass der Urmeter, obwohl seit mehr als 40 Jahren außer Dienst, immer noch gefragt ist: Im Frühjahr 2012 wurde eine vermeintliche Meterkopie der PTB aus einem Museum in Thüringen gestohlen. Die Diebe hatten wohl gehört, dass das Material, Platin-Iridium, in dieser Menge 100 000 Euro wert sei. Ihr Pech, dass der Meterstab eine schlichte Messing-Kopie war. Die modernen Diebe waren halt nicht so klug wie die klauenden Venezianer – die hatten wohlweislich vorher für das nötige Know-how
gesorgt!


Mit Licht messen

„Zollstock“ und einer der „Meter-Laser“ der PTB

Autorin:Erika Schow

Er hatte es mit den Wellen: Wilhelm Kösters wollte mit ihnen die Einheit Meter auf die Basis einer Wellenlänge stellen. Das gelang dem großen Mann der Längenmessungen in der PTR auch...

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Milliarden Transistoren auf einem Fingernagel

Fotomaske (Foto: Wikimedia commons)

Autorin: Uta Bilow

Sie bestehen aus Glas und Chrom, sind etwa so groß wie eine Badezimmerkachel und kosten pro Stück bis zu einer Viertelmillion Euro...

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Von der Elle zur Naturkonstante

Jedem Herrscher seine eigene Elle! Und massive Handelsprobleme gab es kostenlos dazu.

Autorin: Ura Bilow

Am Anfang waren Schritte, Füße – und viele verschiedene Ellen. Viele Herrscher wollten sich so verewigen, indem sie die Länge ihres eigenen Unterarmes zum Maß aller Längen in ihrem Herrschaftsbereich machten – mit schlechten Folgen für den Handel. Erst in der Französischen Revolution änderte sich dies grundlegend. Mitten in den Revolutionswirren machten sich 1792 zwei Astronomen – ausgestattet mit dem Segen der französischen Nationalversammlung – zu einer Expedition auf...

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Das Schwere

Foto: Markus Matzel / imagetrust

Autorin: Imke Frischmuth

Ist Ihnen auch schon einmal etwas Schweres auf den Fuß gefallen? Vielleicht die Totenmaske des Tutanchamun oder das Urkilogramm? Das ist nicht nur schmerzhaft, sondern bringt auch jede Menge Scherereien mit sich. Mal ganz abgesehen von der Frage, wie Sie auch nur in die Nähe dieser einzigartigen Artefakte gekommen sind, werden Ägyptologen und Metrologen Ihnen die Hölle heiß machen, weil Sie vermutlich etwas kaputt gemacht haben, was es nur ein einziges Mal auf der Welt gibt. (Nein, gemeint ist nicht Ihr Fuß!) Zwar gibt es von beiden Kostbarkeiten zahlreiche Kopien, aber eben nur ein Original. Und was weg ist, ist weg. Der Fluch des Tutanchamun ist Ihnen vermutlich ebenfalls sicher. Auch mancher Wissenschaftler mag schon über das „verfluchte Kilogramm“ geschimpft haben, weil er die lauernde Katastrophe, nämlich dessen Zerstörung, fürchten muss. Deshalb wird weltweit nach einer Kilogramm-Definition gesucht, die nicht kaputtgehen oder sich anderweitig verändern kann, die überall realisierbar ist und nicht in einem Safe im fernen Paris verborgen werden muss. Wenn es so weit ist, darf das Urkilogramm ins Museum. Wenn es dort herunterfällt und durch einen anderen Platin-Iridium-Klotz ersetzt werden muss, ist das vielleicht nicht ganz so schlimm. Sein Fluch ist dann gebrochen. Bei Tutanchamun müssen Sie aber weiterhin auf der Hut sein.


Die Bedeutung der Masse

Zu seinem Schutz wird das Urkilogramm unter drei Glasglocken aufbewahrt. (Foto: PTB)

Autorin: Imke Frischmuth

Die Neudefinition des Kilogramms ist heute eines der ehrgeizigsten Projekte der PTB-Grundlagenforschung. Als letzte physikalische Basiseinheit wird das Kilogramm noch durch einen materiellen Körper definiert, nämlich jenen kleinen Klotz aus Platin-Iridium, der im Safe des Internationalen Büros für Maß und Gewicht nahe Paris liegt...

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Eine Kugel bricht alle Rekorde

Autorin: Ilka Flegel

Wir befinden uns im Jahr 2013. Alle SI-Basiseinheiten sind über Naturkonstanten oder die Eigenschaften von Atomen oder Molekülen definiert... Alle Basiseinheiten? Nein! Als einzige durch einen Vergleichsgegenstand festgelegte Einheit hört das Kilogramm nicht auf, den Metrologen Widerstand zu leisten. Doch die Wissenschaftler der PTB haben mehr Erfolg als die um das berühmte gallische Dorf stationierten römischen Legionäre: Auf ihrem Feldzug für eine Neudefinition des Kilogramms ist ihnen ein entscheidender Durchbruch gelungen. Die Tage des Urkilogramms sind gezählt...

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„Wichtigstes Vorhaben der Metrologie“

Der alte und der neue Leiter des Avogadro-Projektes beim entspannten Spiel mit der Kugel: Peter Becker (links) und Horst Bettin. (Foto: Stephanie Rubrecht/PTB)

Autor: Frank Frick

Die Konkurrenz schläft nicht. Das gilt auch bei der Neudefinition des Kilogramms. Ein Gespräch mit Peter Becker, dem „Vater“ des Avogadro- Projekts, und dessen Nachfolger Horst Bettin...

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Das Geladene

Foto: mauritius images / Phototake

Autor: Jens Simon

Wie weit ist es von einem Kinderlied bis in ein Quantenlabor? Falls Sie die Antwort interessiert, lesen Sie doch einfach weiter. Bestimmt haben Sie auch noch die gesungene Kinderliedfrage im Ohr: „Weißt du, wie viel Sternlein stehen, dort am blauen Himmelszelt?“ (Sie hören sofort die Melodie, nicht wahr?) Aber eine Antwort darauf, die gab es nicht. Weder gesungen noch gesprochen. Sollte Sie die Antwort heute noch interessieren (könnte ja sein), dann fragen Sie einfach einen Physiker. Der singt Ihnen die Antwort zwar nicht, aber er rechnet Ihnen schnell vor, dass im Weltall geschätzte hundert Milliarden Galaxien herumschwirren, die jeweils im Mittel etwa hundert Milliarden Sterne enthalten. Also ganz schön viele. Aber der Physiker kann noch größere Zahlen! Fragen Sie ihn doch einmal, wie viele Bausteine, also Protonen, Neutronen und Elektronen, nötig sind, um alles zu bauen, was in der Welt ist. Um ihn nicht zu überfordern, fragen Sie etwa nach den Elektronen. Jetzt wird er Sie an das gerade gehörte Kinderlied erinnern, die Zahl der Sterne mit einer mittleren Sonnenmasse malnehmen, dann das Ganze durch die Elementarmasse teilen, noch einen Faktor zwei irgendwie einfügen und Ihnen mitteilen: Also, es gibt so ungefähr 10 hoch 79 Elektronen in der Welt. Mit dieser Zahl können Sie dann freilich nichts anfangen, aber Sie werden denken „Huch, sind das viele“. (Seien Sie noch froh, dass Sie nicht an einen dieser exotischen Theoretiker geraten sind, der Ihnen als Antwort mitgeteilt hätte: Es gibt genau ein Elektron im Weltall. Das wäre dann in einem gewissen Sinne noch komplizierter geworden.) Nun hat das Zählen von Elektronen tatsächlich Konjunktur in der Physik, wobei es dabei nicht um das große Ganze, sondern eher um das gewöhnlich Kleine geht. Denn ohne Elektronen läuft in unserer elektrifizierten Menschenwelt nichts. In manchen Quantenlaboren will man herausfinden, wie viele Elektronen den elektrischen Strom tragen. In der PTB ist man mit dem Zählen schon ganz schön weit gekommen. Falls Sie wissen wollen, warum sich die Physiker diese Frage überhaupt stellen, und Sie angesichts der Melodie (siehe oben) nicht schon eingeschlafen sind, dann sind Sie hier, im Geladenen, genau richtig.


Gewünschte Dreiecksbeziehung

Josephson-Spannungsnormal mit rund 70 000 in Reihe geschalteten Tunnelelementen. (Foto: PTB)

Autor: Jens Simon

Quanteneffekte sind nicht nur im unsichtbar Kleinen verborgen, sie sind zuweilen auch ganz makroskopisch und dadurch die wichtigste Zutat für das täglich Brot der Metrologen, die sich den elektrischen Größen Spannung, Widerstand und Stromstärke verschrieben haben...

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Die Jäger der siebten Kommastelle

Ein Chip mit einer SET(Single-Electron-Tunneling)-Schaltung, eingebaut im Probenhalter. Das Fenster in der Platine ermöglicht die Kontaktierung der Schaltung auf dem Chip mittels des darüber sichtbaren Nadelschalters.

Autor: Frank Frick

Mehr als zehn Jahre kostbare Berufszeit voller Rückschläge hat Hansjörg Scherer in ein einziges Experiment investiert. Und das, obwohl es anderswo schon einmal durchgeführt wurde und obwohl kaum ein Wissenschaftler ernsthaft erwartet, dass es das gängige physikalische Weltbild ins Wanken bringt. Der Physiker hat sich auf einen aufopfernden Dauerlauf begeben, mit vielen Stolperfallen und vielen Mutproben – auf einen Parcours, wie er in der physikalischen Grundlagenforschung allerdings nicht ganz unüblich ist, wenn das anvisierte Ziel verlockend ist. Und das gründet sich hier auf höchste Ansprüche an Präzisison...

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Der Mann mit den goldenen Fingern

Manche Objekte der Forschung werden so berühmt, dass sie ins Museum wandern: Dieser Silizium-Chip mit mehreren MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistoren), an dem Klaus von Klitzing den Quanten-Hall-Effekt entdeckte, ist mittlerweile im Deutschen Museum in Bonn ausgestellt. (Lithografie: Fred Ziegler / Klaus v. Klitzing)

Autorin: Anne Hardy

Wie das Leben so spielt: Der junge Mann, der 1965 als Werkstudent in der PTB arbeitete, sollte später eine Naturkonstante entdecken, auf der heute wichtige Messungen der Bundesanstalt beruhen. Ein ehemaliger Kollege erinnert sich an Nobelpreisträger Klaus von Klitzing, den Entdecker des Quanten-Hall-Effekts...

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Das Lebendige

Autorin: Imke Frischmuth

Wer hier das pralle Leben feiert, wurde im 19. Jahrhundert schnell zum Märtyrer der Wissenschaft. Zu Tausenden mussten Frösche ihr Leben im Dienste der Forschung lassen, zum Beispiel als „Bauteil“ in experimentellen Versuchsanordnungen. Unter den jungen Forschern jener Zeit herrschte Aufbruchsstimmung: Sie wollten zeigen, dass sich physiologische Prozesse wie Muskelbewegung oder Sinnesempfindungen als Summe physikalischer und chemischer Größen begreifen lassen. In ihrem Weltbild wirkten anorganische Maschinen und organische Körper nach den gleichen Mechanismen. Und so standen in den Werkstätten mancher Apparatebauer derartige Geräte mit organischen  Bauteilen gleich neben Telegrafie-Vorrichtungen oder neuartigen Dampfmaschinen. Auch Hermann von Helmholtz, der später neben Werner von Siemens Gründungsvater der PTR sein sollte, baute sich in jüngeren Jahren eine Froschzeichenmaschine zur Untersuchung der Nervenleitgeschwindigkeit: Der elektrisch angeregte Froschmuskel bewegte durch seine Kontraktion einen Schreiber, der den Ausschlag der Zuckung auf einer papierbespannten Trommel  aufzeichnete. Heute müssen Wissenschaftler jedoch feststellen: Je genauer man messen kann, desto deutlicher wird es, dass kein Organismus dem anderen und keine Zelle der anderen gleicht und somit absolute Aussagen z. B. zur Sinneswahrnehmung oder Strahlungsempfindlichkeit nur bis zu einem bestimmten Grad möglich sind.


Die Messung des Lebendigen

1852 – Nervenleitgeschwindigkeit messbar!

Autorin: Imke Frischmuth

Hermann von Helmholtz, ein wahrer Universalgelehrter und von 1887 bis 1894 erster Präsident der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt, nahm die Erkenntnis vorweg, dass Physik und Medizin aufs Engste miteinander verknüpft sind. Er forschte auf so unterschiedlichen Gebieten wie der Physiologie, der Hydro- und Elektrodynamik und der Erkenntnistheorie...

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Was haben Metrologen in der Medizin zu suchen?

Autorin: Andrea Hoferichter

„Eine metrologische Fundierung ist überfällig“, fordert Hans Koch, der in der PTB in Berlin die Abteilung Medizinphysik und metrologische Informationstechnik leitet. Ein Interview...

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Mikro, Nano, Monte Carlo

Autorin: Andrea Hoferichter

Physiker können die Zeit auf die trillionstel Sekunde genau messen, Temperaturen unter minus 270 Grad Celsius erzeugen und sogar Blei in Gold verwandeln. Wenn sie aber auf dem Gebiet des Lebendigen forschen, müssen sie sich mitunter fühlen wie Neil Armstrong bei der ersten Mondlandung: Es gibt noch viel zu entdecken. Ein Beispiel ist die biologische Wirkung von Strahlung...

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Telegraphen Bau Anstalt

Autorin: Imke Frischmuth

Mitte des 19. Jahrhunderts waren das private Laboratorium des Physikers Heinrich Gustav Magnus und etwas später die neugegründete Physikalische Gesellschaft Berlin Treffpunkte enthusiastischer Naturwissenschaftler und Techniker. Die gefühlte Ferne, die wir heute mitunter zwischen Physiologie und Physik empfinden, gab es in jener Zeit nicht. So erstellten Physiologen damals erstmals Messkurven, die organische Prozesse als physikalischchemische Vorgänge darstellten, und trafen damit auf großes Interesse der Ingenieure. Diese nutzten die Methode der Kurven beispielsweise, um die Druckverteilung und Ventilarbeit ihrer Dampfmaschinen zu optimieren. Physiologen und Ingenieuren gemeinsam war eine neue, mechanistische Weltsicht...

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Das Letzte

Autor: Jens Simon

Ob der große Sir Isaac Newton behaglich unter seinem himmlischen Apfelbaum liegt und seine irdischen Exegeten mit Wohlwollen betrachtet? Zwar fallen die meisten Äpfel heute noch genauso weit vom Stamm wie ehedem. Aber nicht alle Dinge gehorchen seinem schweren Gesetz, das den Objekten dieser Welt genaue Bahnen vorschreibt und ihnen diktiert, wie sie sich aufeinander zuzubewegen haben. Besonders die kleinen Dinge pfeifen auf den großen Sir Isaac, verhalten sich lieber im Ungefähren und folgen vielmehr den Herren Planck und Schrödinger und Bohr und wie die Quanten-Päpste alle heißen...

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