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PTR/PTB: 125 Jahre metrologische Forschung

PTB-Mitteilungen 2/2012

Vorwort

Ernst O. Göbel

Die Physikalisch-Technische Reichsanstalt (PTR) und die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) haben stets die Vollendung eines Vierteljahrhunderts als Jubiläumsjahr aufgefasst und entsprechend gewürdigt. So soll es auch mit dem jetzt bevorstehenden 125. Geburtstag der PTR/PTB sein, und das vorliegende Heft der PTB-Mitteilungen leistet dazu einen Beitrag. Von den angesprochenen Jubiläen ist es ein besonderes. Erstmals nach Ende des 2. Weltkrieges kann sich die PTB wieder vollständig vereint präsentieren: zwar an zwei Standorten in Braunschweig und Berlin, aber nach innen und außen als Einheit, dem hoheitlichen Auftrag verpflichtet, durch eigene Forschung und Entwicklung und darauf aufbauende Dienstleistungen für die Einheitlichkeit des Messwesens in Deutschland und dessen stete Weiterentwicklung verantwortlich zu sorgen.

Die Intention

Wolfgang Buck

Um eine Einrichtung auf den Weg zu bringen, deren Umfang und Bedeutung, über die 125 Jahre ihrer Geschichte gemittelt, stets zugenommen hat, bedarf es vieler fähiger Köpfe und günstiger Rahmenbedingungen. Damit in kritischen Zeiten die Entwicklung aber nicht abbricht, braucht es Persönlichkeiten, die von ihrer Mission selbst überzeugt sind und die andere dafür begeistern können. Davon genügen manchmal wenige, aber man benötigt sie genau dann, wenn die Umstände es erfordern.

Die Geburt einer Institution ist – wie sonst auch – bereits solch eine kritische Phase. Ist die Entstehung der deutschen Metrologie für Länge und Gewicht nicht ohne den Berliner Astronomen Wilhelm Foerster zu denken, so gäbe es die Physikalisch-Technische Reichsanstalt nicht ohne den Naturforscher und Unternehmer Werner von Siemens. Er lieferte mit seinen Denkschriften die auch für die Politik einsichtige Begründung für deren dringende Notwendigkeit, die andere wie Hermann von Helmholtz inhaltlich ausgefüllt haben. Er offerierte dem Deutschen Reich sein privates Gelände und aus einer Erbschaft die teilweise Finanzierung der Baukosten, als die Politik sich in ihren diversen Zuständigkeiten verfangen hatte. Und er hatte eine Vision davon, was Deutschland brauchte, um zu den prosperierenden Industrienationen England und Frankreich aufzuschließen.

Helmholtz und die Gründerjahre

Helmut Rechenberg

Im 19. Jahrhundert begann die systematische Industrialisierung Europas und darüber hinaus, für die die Dampfmaschine und der Telegraph charakteristische Symbole setzten. Gleichzeitig wurden die klassischen Naturwissenschaften Physik, Chemie und Atomlehre vollendet, ein systematisches System von Grundeinheiten, das Gauß-Weber’sche CGS(Zentimeter-Gramm-Sekunde)-System unter Einschluss der elektrischen und magnetischen Größen eingeführt und für industrielle ebenso wie andere gesellschaftspolitische, auch militärische Interessen verwendet.

Der Schwarze Körper und die Quantisierung der Welt

Jörg Hollandt

Bei einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunkts emittiert jeder Körper elektromagnetische Strahlung, die als Wärmestrahlung bezeichnet wird. Bereits 1860 erkannte Gustav Kirchhoff, dass für einen Körper, der alle einfallende Strahlung vollständig absorbiert (Absorptionsgrad α = 1), das Spektrum der emittierten Wärmestrahlung unabhängig von Form und Material des Körpers und nur noch eine Funktion von Wellenlänge und Temperatur ist [1]. Ein solcher ausgezeichneter Körper wird seit Kirchhoff als Schwarzer Körper bezeichnet.


Auf der Grundlage des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik folgerte Kirchhoff, dass im thermischen Gleichgewicht für dieselbe Temperatur, Wellenlänge und Richtung der gerichtete spektrale Absorptionsgrad gleich dem gerichteten spektralen Emissionsgrad ist. Der spektrale Emissionsgrad beschreibt die Fähigkeit eines Körpers, Wärmestrahlung zu emittieren. Für einen Schwarzen Körper ist der spektrale Emissionsgrad somit gleich eins für alle Wellenlängen, und kein Körper gleicher Temperatur kann mehr Wärmestrahlung aussenden als ein Schwarzer Körper.

Das Kuratorium

Robert Wynands

Von Anbeginn, genauer seit dem 6. August 1887, besaß die Physikalisch-Technische Reichsanstalt ein auch aus heutiger Sicht modernes Steuerungsinstrument: das Kuratorium. Es erfüllt damals wie heute einerseits die Funktion eines wissenschaftlichen Beirates, andererseits die einer Interessenvertretung der Kunden aus Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft. Seine Aufgabe ist es, gleichermaßen die PTR/PTB selbst sowie auch das Aufsicht führende Ministerium (damals das Reichsamt des Inneren, heute das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie) in allen Fragen zu beraten, die die Anstalt betreffen. Insbesondere bei wichtigen strategischen Entscheidungen kann das Kuratorium mit seiner breit gestreuten Expertise wichtige Hilfestellungen und Ratschläge geben.

Neue Physik und neue Struktur

Wolfgang Buck

Es ist nichts Außergewöhnliches, dass mit der Zeit Inhalte zur Routine werden und Strukturen verkrusten. Wer dann seine Spitzenstellung behaupten will, muss die Herausforderungen der Zeit aktiv annehmen, wo nötig, Strukturen anpassen und die richtigen Personen dafür auswählen. Dabei geht es nicht nur um organisatorische Effizienz, sondern auch um die Eröffnung von Spielräumen für neue Fragestellungen und um die Erfüllung von Übernahme- und Karrierehoffnungen von Mitarbeitern.

Der Fall Einstein

Dieter Hoffmann

„Warburg wollte mich an die Reichsanstalt balancieren“, liest man in einem Brief Albert Einsteins vom Juni 1912. Allerdings wurde aus diesen ersten Plänen, Einstein nach Berlin zu holen, nichts. Verantwortlich dafür war wohl, dass Einstein die angebotene Position eines „Haustheoretikers“ der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (PTR) nicht sehr attraktiv fand, hatte er doch gerade einen Ruf als gut besoldeter ordentlicher Professor der theoretischen Physik am Schweizer Renommierinstitut, der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich, angenommen.

Die „Verschmelzung“ von RMG und PTR

Wolfgang Buck

Bismarcks Zitat, wonach die politische Kunst darin besteht, Gottes Schritt durch die Weltgeschichte zu hören, dann zuzuspringen und zu versuchen, einen Zipfel seines Mantels zu fassen, ist sicher zu hoch gegriffen, aber es trifft die Situation der PTR in den Jahren 1922 und 1923 doch ganz gut. Die finanzielle Situation des Deutschen Reiches nahm durch die galoppierende Inflation immer  dramatischere Formen an. Die Reparationszahlungen an die Sieger des Ersten Weltkrieges belasteten den Haushalt extrem. So musste auch die neue Reichsregierung unter dem am 16. November 1922 berufenen Reichskanzler Wilhelm Cuno massive Sparmaßnahmen in Angriff nehmen. Eine dieser Maßnahmen war die Vereinfachung der Verwaltung, zu der der Rechnungshofpräsident als Reichssparkommissar Vorschläge machen sollte. Die „Verminderung des planmäßigen und außerplanmäßigen Personals, gegebenenfalls unter Aufhebung entbehrlich werdender Behörden“ war dabei eine zu untersuchende Option.

Die Physikalisch-Technische Reichsanstalt im Dritten Reich

Dieter Hoffmann

Als am 30. Januar 1933 den Nationalsozialisten die Macht übertragen wurde, bedeutete dies nicht nur einen gravierenden Eingriff in das politische Leben Deutschlands mit den bekannten katastrophalen Folgen. Wie in jeder Diktatur blieb kein Bereich des öffentlichen Lebens von diesem politischen Machtwechsel mit der nun herrschenden NSIdeologie und den damit verbundenen Machtansprüchen ausgespart. Für den Bereich der Wissenschaften ist der Exodus führender Gelehrter, an deren Spitze symbolhaft die Vertreibung Albert Einsteins stand, der wohl sichtbarste Ausdruck dieser Entwicklung. Gleichzeitig kam es in den Wissenschaften zu einem sukzessiven Verfall der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung und zu einer zunehmenden Orientierung der Forschung an den forschungspolitischen Leitlinien des NS-Staates, die vom Autarkiestreben und einer forcierten Aufrüstung geprägt waren. Von diesem Prozess blieb auch die Physikalisch-Technische Reichsanstalt als größtes und traditionsreichstes physikalisches Forschungsinstitut in Deutschland nicht verschont, zumal es sich um ein Staatsinstitut handelte und mit Johannes Stark und Abraham Esau zwei exponierte Anhänger und Verfechter des Nationalsozialismus das Präsidentenamt in den Jahren des Dritten Reiches bekleideten.

PTR, PTA und DAMG: die Nachkriegszeit

Dieter Hoffmann

Mitte April 1945 wurde Thüringen von den Amerikanern befreit. Doch währte die amerikanische Besatzungszeit nur zwei Monate, denn im Zusammenhang mit der Potsdamer Konferenz hatten sich die alliierten Truppen auf die in Jalta vereinbarten Besatzungszonen zurückzuziehen; als Gegenleistung wurde das von der Roten Armee besetzte Berlin in vier Besatzungssektoren geteilt. Auch wenn amerikanische Wissenschaftsoffiziere bald nach der Befreiung Weidas die Laboratorien der PTR inspizierten und einige Wissenschaftler über ihre Tätigkeit befragten, stand die PTR zunächst nicht im Mittelpunkt des amerikanischen Interesses – im Gegensatz etwa zur V2-Produktionsstätte im KZ Dora-Mittelbau bei Nordhausen oder der Firma Carl Zeiss Jena. Am 11. Mai wurde die Reichsanstalt sogar vorübergehend geschlossen und ein Teil der Mitarbeiter entlassen. Um eine Verlagerung der Anstalt im Zusammenhang mit dem Rückzug der amerikanischen Truppen vorzubereiten, wurde zwar der Schließungsbeschluss im Juni wieder aufgehoben, doch kam es dann doch nicht zur Evakuierung – lediglich die wichtigsten Mitarbeiter der Hochfrequenzgruppe mit Adolf Scheibe und den beiden Quarzuhren sowie Vize-Präsident Moeller, insgesamt 15 Wissenschaftler mitsamt ihren Familien, wurden im Juni 1945 nach Heidelberg verbracht. Ebenfalls wurden die Radiumstandards der Anstalt – die von der PTR verwaltetete Radiumreserve des Deutschen Reichs war schon vor Kriegsende durch den Leiter der Abteilung Radioaktivität Carl-Friedrich Weiss nach Bayern gebracht worden und dort im Juni 1945 den Amerikanern übergeben worden – und eine Anlage zur Herstellung von Polonium von den Amerikanern konfisziert. Über die Gründe, warum man auf die Verlagerung der gesamten Reichsanstalt verzichtete, dagegen aber große Teile der Jenaer Zeisswerke und Teile des Forschungspotenzials aus den mitteldeutschen Industriestandorten Wolfen und Leuna sowie führende Wissenschaftler der Universitäten Halle, Leipzig und Jena in die amerikanische Besatzungszone evakuierte, ist unklar. Es könnte simple Zeitnot gewesen sein, die Bewertung der PTR als zu unbedeutend oder auch, dass man weitere Konflikte mit den Sowjets vermeiden wollte, die die Verlagerung eines Staatsinstituts unzweifelhaft provoziert hätte.

Das gesetzliche Messwesen und die OIML

Peter Ulbig, Roman Schwartz

In praktisch allen Staaten der Welt gibt es seit Langem gesetzliche Regelungen über Messungen, Messgeräte und die Verwendung von Messwerten. Dadurch sollen sowohl die Schaffung eines fairen Handels unterstützt als auch das Vertrauen der Bürger in amtliche Messungen gefördert werden. Darüber hinaus dienen gesetzlich geregelte Messungen auch der Rechtssicherheit und der Abwendung von möglichen großen wirtschaftlichen Schäden, wie zum Beispiel beim grenzüberschreitenden Handel mit Massengütern wie Erdgas oder Mineralöl. Wie lässt sich erreichen, dass Messgeräte in unterschiedlichen Staaten innerhalb bestimmter Fehlergrenzen dieselben Messwerte anzeigen? Letztendlich gelingt dies nur mit weltweit gleichen Anforderungen an Messgeräte und Messbedingungen. Diese Überlegungen führten im Jahre 1955 zur Gründung einer internationalen Organisation für das gesetzliche Messwesen, die mit der weltweiten Harmonisierung von Vorschriften, technischen Anforderungen und Prüfverfahren für Messgeräte beauftragt ist und sich Organisation Internationale de Métrologie Légale (OIML) nennt. Das sogenannte gesetzliche Messwesen umfasst alle Aktivitäten, für die staatliche Anforderungen an Messungen, Maßeinheiten, Messgeräte und Messmethoden vorgeschrieben sind. Diese Aktivitäten werden durch oder im Namen von Regierungsstellen ausgeführt, haben also hoheitlichen Charakter. Das gesetzliche Messwesen ist zuständig sowohl für den Handel mit Waren aller Art als auch für den Schutz des Bürgers. Es garantiert letztendlich überall in der Gesellschaft korrektes Messen, z. B. im geschäftlichen Verkehr, bei amtlichen Messungen oder bei Messungen im Rahmen des Arbeits- und Gesundheitsschutzes. Das gesetzliche Messwesen beinhaltet also alle Regelungen, die garantieren, dass Messgeräte richtig anzeigen und Messwerte richtig übertragen, abgedruckt und gespeichert werden. Dazu gehören auch statistische Prüfmethoden, wie z. B. bei der Kontrolle von Fertigpackungen. Diese Bestimmungen umfassen neben den Anforderungen an die Messgeräte selbst auch alle Regelungen, die für eine gesetzliche Kontrolle und Überwachung nötig sind.

Europäische Metrologie

Wolfgang Schmid

Mit dem Ziel, Foren für eine Koordinierung der Arbeiten der nationalen Metrologie-Institute (NMIs) zu schaffen, begann vor etwa drei Jahrzehnten die Gründung von regionalen Metrologie-Organisationen (RMOs), deren Zuschnitt sich an den großen Wirtschaftsregionen orientierte. Auch wenn die Zusammenarbeit innerhalb dieser RMOs keine rechtlich verbindlichen Verpflichtungen an die Mitglieder stellte, erwies sie sich doch als ausgesprochen erfolgreich: Die Fachkollegen aus verschiedenen NMIs einer Region tauschten sich wissenschaftlich aus, unterstützten sich gegenseitig bei der Rückführung ihrer nationalen Normale auf das internationale Einheitensystem SI, führten Vergleichsmessungen durch und arbeiteten in Forschungsprojekten zusammen.

Die Wiedervereinigung der Metrologie in Deutschland

Dieter Kind

1987, im Jahr des 100-jährigen Jubiläums der PTR/PTB, hatte sich die Teilung Deutschlands in zwei getrennte Staaten im Bewusstsein der meisten Menschen fest eingenistet. Quer durch Deutschland ging der Eiserne Vorhang, und die Berliner Mauer schien, abgesehen von wenigen politisch gewollten Ausnahmen, undurchlässig. Insbesondere waren für die Mitarbeiter des Bereichs Messwesen des Amtes für Standardisierung, Messwesen und Warenprüfung (ASMW) im Osten der geteilten Stadt Kontakte mit dem Institut Berlin der PTB durch die Politik der DDR grundsätzlich ausgeschlossen. Zufällige persönliche Begegnungen am Rande internationaler Veranstaltungen blieben seltene Ausnahmen.

Die PTB − metrologischer Dienstleister und Partner für Industrie, Wissenschaft und Gesellschaft

Roman Schwartz, Harald Bosse

Für einen modernen Industriestaat ist eine leistungsfähige Metrologie-Infrastruktur eine Grundvoraussetzung. Dafür unterhalten alle Industriestaaten ein nationales metrologisches Institut. In Deutschland ist dies die PTB. Der spezifische staatliche Auftrag für die PTB ist, eine international akzeptierte und leistungsfähige messtechnische Infrastruktur für Industrie und Handel, Wissenschaft und Gesellschaft bereitzustellen. Dabei geht es auch um das Vertrauen, das jeder Bürger − ob Verbraucher, Unternehmer oder Behörde − in die Zuverlässigkeit und Unparteilichkeit von Messungen haben muss.

Die PTB im 21. Jahrhundert

Ernst O. Göbel, Jens Simon

Die Metrologie – die wissenschaftliche Grundlage des Messens und aller daraus folgenden Anwendungen – führt unter den Wissenschaften eher ein Schattendasein. Wurde in der Antike die Nichtbeachtung metrologischer Grundsätze, z. B. beim Bau der ägyptischen Pyramiden, mit dem Tode bestraft, ist der Einsatz präziser und weltweit einheitlicher Messtechnik heute eine reine Selbstverständlichkeit: Jeder nutzt die Metrologie, aber kaum jemandem ist es bewusst.