Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Jeder Gegenstand braucht eine adäquate Sprache ihn zu beschreiben. Die Gegenstände der Physik sind grundlegende Phänomene der Natur, die wir zu verstehen versuchen, indem wir ihre Wirkungen messen – die Phänomene werden quantifiziert. Die physikalische Grammatik, eben dies zu tun, ist ein System physikalischer Einheiten. Prinzipiell könnten beliebig viele "Grammatiken" entworfen werden (und sie existierten auch in der Vergangenheit), allerdings mit der Folge mehr oder minder großer Sprachbarrieren, wenn nicht einer allgemeinen Sprachverwirrung. Ein großer Erfolg einer Sprachvereinheitlichung ist daher das seit vielen Jahrzehnten nahezu weltweit akzeptierte Internationale Einheitensystem SI (Le Système internationale d'unités).

Jeder Gegenstand braucht eine adäquate Sprache ihn zu beschreiben. Die Gegenstände der Physik sind grundlegende Phänomene der Natur, die wir zu verstehen versuchen, indem wir ihre Wirkungen messen – die Phänomene werden quantifiziert. Die physikalische Grammatik, eben dies zu tun, ist ein System physikalischer Einheiten. Prinzipiell könnten beliebig viele "Grammatiken" entworfen werden (und sie existierten auch in der Vergangenheit), allerdings mit der Folge mehr oder minder großer Sprachbarrieren, wenn nicht einer allgemeinen Sprachverwirrung. Ein großer Erfolg einer Sprachvereinheitlichung ist daher das seit vielen Jahrzehnten nahezu weltweit akzeptierte Internationale Einheitensystem SI (Le Système internationale d'unités).

Dieses SI-System, das gegenwärtig auf sieben Basiseinheiten und zahreichen "abgeleiteten Einheiten" fußt, ist ein Kind der Meterkonvention, also eines internationalen Vertrages, der bereits im Jahr 1875 von 17 Staaten unterzeichnet wurde. (Mittlerweile hat sich die Anzahl der Vertragspartner auf 51 erhöht.) Das SI-System wurde im Jahr 1960 von der 11. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) verabschiedet und kann als ein Gradmesser des Erfolges der Meterkonvention verstanden werden, ist es doch Ziel und Aufgabe dieser Konvention, alle Maße und Gewichte international zu vereinheitlichen.

Die Definitionen der physikalischen Einheiten sind dabei keineswegs "in Stein gemeißelt", sondern richten sich auch nach praktischen Gesichtspunkten aus und sind damit vielmehr ein Ausdruck des messtechnisch Möglichen. So war die Längeneinheit Meter vor 1960 noch als die Länge des "Ur-Meters", des internationalen Prototyps aus einer Platin-Iridium-Legierung, festgelegt, wurde dann als ein bestimmtes Vielfaches der Wellenlänge einer Spektrallinie des Atoms Krypton-86 definiert, um schließlich im Jahr 1983 seine bis heute (und vermutlich für alle Zeiten) gültige Form zu erhalten: Das Meter als die Strecke, die das Licht im Vakuum in einem gewissen Bruchteil einer Sekunde zurücklegt. Die physikalische Einheit Meter ist damit auf eine Naturkonstante – hier die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum – zurückgeführt.

Auf ein ähnlich festes Fundament wie die Einheit Meter können sich gegenwärtig nur Sekunde, Volt und Ohm abstützen. Für die übrigen SI-Einheiten ist eine solche Rückführung auf fundamentale Konstanten dagegen noch eine große Herausforderung. Das Kilogramm und das Mol sind die Kandidaten, bei denen eine Neudefinition in unmittelbarer Reichweite zu liegen scheint. Und auch das Kelvin und das Ampere versuchen ganz aktuell den Sockel der Naturkonstanten zu erklimmen. Gelingen die entsprechenden Experimente in den Nationalen Metrologieninstituten, dann wird das messtechnisch Machbare in den Definitionen der Einheiten und also im SI-System seinen Ausdruck finden. In diesem Sinne "lebt" das SI-System und die vorliegende Broschüre gibt eine Momentaufnahme dieses Entwicklungsprozesses wieder.

Herausgeber dieser Broschüre ist das Internationale Büro für Maß und Gewicht (BIPM) in Sèvres bei Paris. Seine Ursprungssprache ist Französisch. Gleichzeitig wird dieses Dokument auch in englischer Sprache veröffentlicht. Für die hier vorliegende deutsche Übersetzung, die lediglich auf einige sehr spezialiserte Anhänge des Originals verzichtet, ist die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) verantwortlich. Mein herzlicher Dank geht daher an Frau Cecile Charvieux vom Sprachendienst der PTB für die Übersetzung aus dem französischen Original und an Herrn Dr. Bernd Siebert für die inhaltliche Betreuung und Kommentierung.

Prof. Dr. Ernst O. Göbel, Präsident der PTB und Präsident des CIPM

Der Wert einer Größe wird generell als Produkt von Zahlenwert und Einheit ausgedrückt. Die Einheit ist dabei nur ein spezielles Beispiel der betreffenden Größe und wird als Bezug genutzt. Der Zahlenwert ist das Verhältnis zwischen dem Wert der betreffenden Größe und der Einheit. Für eine bestimmte Größe kann man mehrere verschiedene Einheiten verwenden. Zum Beispiel kann die Geschwindigkeit v eines Teilchens als v = 25 m/s = 90 km/h ausgedrückt werden, wobei die Einheiten Meter pro Sekunde und Kilometer pro Stunde alternative Einheiten sind, die denselben Wert der Größe "Geschwindigkeit" ausdrücken. Wegen der Bedeutung eines klar definierten Systems einfach zugänglicher und weltweit anerkannter Einheiten für die große Anzahl an Messungen, die die heutige komplexe Gesellschaft erfordert, sollten die Einheiten aber so gewählt werden, dass sie für jedermann leicht verfügbar, konstant in Raum und Zeit und mit großer Genauigkeit leicht handhabbar sind.

Die offiziellen Definitionen aller SI-Basiseinheiten werden von der Generalkonferenz angenommen. Die beiden ersten dieser Definitionen wurden 889 und die neueste 983 angenommen. Die Definitionen werden dem technischen Fortschritt folgend in unregelmäßigen Abständen aktualisiert.

Die 11 . CGPM (1960, Resolution 2; CR, S. 87) hat eine Reihe von Vorsatznamen und -zeichen übernommen, um die Namen und Zeichen der dezimalen Vielfachen und Teile der SI-Einheiten zwischen 10¹² und 10^–12 zu bilden. Die Vorsätze für 10^–15 und 10^–18 wurden durch die 2. CGPM (964, Resolution 8; CR, S.94) hinzugefügt, die für 10¹⁵ und 10¹⁸ durch die 5. CGPM (975, Resolution 10; CR, S.106 und Metrologia, 11, (1975), S.180-181 ) und die für 10²¹, 10²⁴, 10^–21 und 10^–24 durch die 19. CGPM (1991, Resolution 4; CR, S.97 (185) und Metrologia, 29, (1992), S.3).

Das Internationale Einheitensystem, das SI, ist ein Einheitensystem, das von der Generalkonferenz (GCPM) angenommen wurde und das die international anerkannten Bezugseinheiten zur Verfügung stellt, auf deren Grundlage jetzt alle anderen Einheiten definiert sind. Der Gebrauch des SI wird für alle Naturwissenschaften, die Technik, das Ingenieurswesen und den Handel empfohlen. Die SI-Basiseinheiten und die kohärenten abgeleiteten SI-Einheiten einschließlich solcher mit besonderen Namen haben den bedeutenden Vorteil, dass sie einen kohärenten Satz von Einheiten bilden. Daher ist es nicht nötig, Einheiten umzurechnen, wenn in Größengleichungen bestimmte Werte eingesetzt werden. Da das SI das einzige weltweit anerkannte Einheitensystem ist, hat es den offensichtlichen Vorteil, eine Art universeller Sprache darzustellen. Wenn jedermann dieses System nutzt, wird die naturwissenschaftliche und technische Lehre für die nächste Generation deutlich vereinfacht.

Allgemeine Prinzipien zur Schreibweise von Einheitenzeichen und Zahlen wurden erstmals von der 9. CGPM (1948, Resolution 7) vorgeschlagen. Sie wurden dann von der ISO und der IEC und anderen internationalen Organisationen angenommen und umgesetzt. Daraus ist ein allgemeiner Konsens darüber entstanden, wie die Zeichen und Namen der Einheiten – einschließlich der Zeichen und Namen der Vorsätze-, sowie die Zeichen und Werte der Größen ausgedrückt werden sollen.

Optische Strahlung kann chemische Veränderungen in bestimmten lebenden oder leblosen Stoffen verursachen. Diese Eigenschaft wird Aktinität genannt, und Strahlung, die solche Veränderungen verursachen kann, ist unter dem Namen "aktinische Strahlungen" bekannt. Aktinische optische Strahlung hat folgende Grundeigenschaft: auf der Molekülebene interagiert ein Photon mit einem Molekül, wodurch dieses verändert oder in neue Molekülarten zerbrochen wird. Es ist also möglich, spezifische photochemische oder photobiologische Größen durch den Einfluss der optischen Strahlung auf die entsprechenden chemischen oder biologischen Rezeptoren zu definieren.