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maßstäbe Heft 1: Dimensionen der Einheiten

Impressum

Herausgeber
Physikalisch-Technische Bundesanstalt
Braunschweig und Berlin

Redaktion
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit, PTB
Postfach 3345, 38023 Braunschweig
Telefon: (05 31) 592-30 06
E-Mail: presse(at)ptb.de

Redakteure: Jens Simon (verantwortlich), Birgit Ehlbeck, Erika Schow

freie Autoren: Ute Kehse, Frank Frick

Layout: Jörn-Uwe Barz

Grafik: Björn Helge Wysfeld (Mitarbeit von KOBOLD DESIGN, Weddel)

Bilder ohne Quellenangabe: Bildstelle der PTB

Druck
Limbach Druck und Verlag GmbH, Braunschweig

Alle Rechte vorbehalten. Bei Nachdruck bitte Quellen- und Autorenangabe sowie Information an die Redaktion.

Braunschweig, September 2001

Vorwort

Liebe Leserin, lieber Leser,

sind Sie weiblich, 1,71 m groß, wiegen 70 kg (was einen body mass index von 23,9 ergibt) und es ist 21.25 Uhr? Oder sind Sie männlich, 1,79 m groß, wiegen 82 kg (body mass index 25,6) und es ist 21.26 Uhr? Wahrscheinlich beides nicht. (Worüber Sie sich nicht grämen müssen. Es ist nicht immer nötig, "Ja" zu sagen.) Aber auch wenn ich mit meinen beiden Fragen kein "Ja" bekommen habe, so weiß ich doch einiges über Sie: Sie sind entweder eine Frau oder ein Mann; Sie sind zwischen 1,65 m und 1,95 m groß; Sie wiegen mehr als 55 kg und weniger als 90 kg; es ist später als 8.00 Uhr und früher als 22.00 Uhr. Liege ich jetzt mit den Merkmalen richtig? "Kein Wunder!" könnten Sie sagen, die Bandbreite war ja auch groß genug gewählt. Aber dennoch zeigt diese kleine Ansprache, dass ein gewisses Wissen über diese Welt und ihre Bewohner sich in Zahlen und Intervallen ausdrücken lässt. Sie kennen das alles: Körpertemperatur in °C, Geschwindigkeitsüberschreitung in km/h (nebst nachfolgenden Bußgeld in DM), Stromverbrauch in kWh, ... Und obwohl Sie das alles kennen, ist dieses Magazin eben diesen Dingen geschuldet, die Sie kennen - und doch nicht kennen: der Zeit, dem Raum, der Masse, der Geschwindigkeit, der Temperatur, ...

An all dies wollen wir einen Maßstab anlegen. Wir wollen berichten, erzählen, zeigen, dass all dies der Betrachtung wert ist, ja, dass es ganze Institutionen gibt, die sich im Wesentlichen mit nichts anderem beschäftigen als Maßstäbe aufzustellen und zu verfeinern, anzulegen und abzulesen. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig und Berlin ist in Deutschland die Institution für diese Aufgabe, zu vermessen, was zu vermessen ist, und dies so gründlich und so genau wie nötig und möglich zu tun; zugleich ist sie diejenige, von der Sie dieses Magazin jetzt in Händen halten.

Wir wagen mit diesem Magazin den Versuch, über das Genaue ungenau zu sprechen. Es wäre schön, wenn Sie uns bei diesem Versuch begleiten und vielleicht sogar Ihre Meinung sagen würden. Folgen Sie uns einfach in die Welt des Messens.

Das "Messen-Wollen" liegt übrigens, so scheint es, in der Natur des Menschen, der sich mitteilen will. Der Mensch macht dabei auch keinen Halt vor dem Unmessbaren. Und dieses "Messen-Wollen" beginnt früh: In einem der bezauberndsten Kinderbücher** geht es darum, dass ein kleiner Hase seine Liebe zum großen Hasen "ausmessen" will. "Rate mal, wie lieb ich dich hab", sagt der kleine zum großen Hasen. "Oh, ich glaub nicht, dass ich das raten kann", sagt darauf der große Hase. Aber der kleine und der große Hase versuchen dann doch, die Größe dieser Liebe zu messen, zuerst durch ihre Armlängen, dann durch ihre ausgestreckten Körper, bis sie schließlich beim Vergleichen (und nichts anderes meint "messen") im Himmel landen: "Bis zum Mond und wieder zurück haben wir uns lieb." (Dies bringt mich dazu, bevor ich Sie mit den maßstäben allein lasse, meiner Tochter zu danken, die die Zeichnungen zur Glosse auf der letzten Seite beigesteuert hat.)

Und nun im Namen der gesamten Redaktion: Viel Spaß beim Schmökern!
Ihr Jens Simon

Eine Fingerübung

Autor: Jens Simon

oder: Warum ein Meter ein Meter, eine Sekunde eine Sekunde und ein Kilogramm ein Kilogramm ist

"Tod den Aristokraten!", "Es lebe die Nation!" und "Verräter an die Laternen!" hallte es lautstark durch das Land. Schlechte Voraussetzungen für zwei Männer der Wissenschaft, die eine Herkulesaufgabe schultern wollten und die ihr Unternehmen auf ein paar Monate, allerhöchstens ein Jahr schätzten. Schließlich wurden es dann sechs Jahre. Denn die beiden hatten nicht mit den revolutionären Wirren und Exzessen gerechnet, denen sie fast selbst, wegen Spionageverdachts, zum Opfer gefallen wären...

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Das Maß aller Elektrizität

Brückenbau im Nanokosmos – auf dem Weg zu einem Quantennormal für das Ampere.
Brückenbau im Nanokosmos – auf dem Weg zu einem Quantennormal für das Ampere.

Autor: Frank Frick

Nur wenige Fakten aus dem Schulunterricht prägen sich für immer ein: die Kriege Alexander des Großen im Jahre 333 v. Chr. und der Satz "Punktrechnung geht vor Strichrechnung" gehören wahrscheinlich dazu. Von den Dingen, die in den Physikstunden gepaukt werden, ist wohl das Ohmsche Gesetz U=R * I (Spannung ist gleich Stromstärke mal Widerstand) am besten im Gedächtnis verankert. Gemeinhin gilt Schulwissen nicht als Ansatzpunkt für aktuelle Forschung - und doch widmen Experten der Abteilung "Elektrizität" der PTB einen Teil ihres wissenschaftlichen Lebens dem Ziel, die Gültigkeit des Ohmschen Gesetzes mit bisher unerreichter Genauigkeit nachzuweisen. Dabei verstehen die Wissenschaftler der PTB unter Genauigkeit etwas anderes als Normalsterbliche..

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Die Spurensucher

Foto: MEV, Peter Horn
Foto: MEV, Peter Horn

Autorin: Erika Schow

Sie arbeiten ohne Lupe und Karomantel, aber detektivischer Spürsinn ist mit im Spiele, wenn die Analytiker der PTB versuchen, winzige Mengen chemischer Substanzen immer noch genauer aufzuspüren.

Der Techniker steckt die Röhrchen in eine Art Servierteller: eine runde Scheibe, die sich dreht und Probe für Probe dem Gas-Chromatographen reicht. Von nun an passiert alles automatisch: Die Proben werden erhitzt, die Stoffe gehen in die Gasphase über und strömen durch die feinen Kapillar-Rohre des Chromatographen. "Je nach seinen chemischen und physikalischen Eigenschaften tritt das Gas verschieden stark in Wechselwirkungen mit der Innenbeschichtung der Kapillarwand", erklärt André Henrion, der Laborleiter. "Einige strömen schnell weiter, andere halten sich länger auf. Es ist wie bei einer Gruppe Menschen, die durch eine Einkaufsstraße geht. Wenn es viele Boutiquen gibt, bleiben die Damen zurück, die Herren sind schneller am Ende der Straße". Jede Substanz hat eine charakteristische Retentionszeit (Aufenthaltszeit in der Kapillare). Das ist das erste Indiz in einer wahrlich detektivischen Suche. Aber noch fehlt das zweite Indiz...

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Die Form des Schalls

Foto: Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e. V.
Foto: Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e. V.

Autor: Erika Schow

Einige wenige Menschen, Synästhetiker, können Töne wirklich sehen. Alle anderen sind auf die Bilder der Akustiker angewiesen.

Horrorvision eines jeden Geigenbauers: Das Instrument ist fertig - doch einzelne Töne klingen scheußlich. Vielleicht kann jetzt moderne Messtechnik helfen. Mit dem Laser-Doppler-Verfahren lässt sich - über farbliche Codierung - sichtbar machen, welche Teile der Geige mit welcher Stärke (bzw. Amplitude) schwingen. So können die Akustiker herausfinden, ob womöglich ein akustischer Kurzschluss für den schlechten Klang verantwortlich ist..

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Wo die Zeit stillsteht

Autor: Jens Simon

Hier ist es anders. Anders als erwartet. Kein Empfangsschalter muss passiert, keine persönlichen Daten müssen überprüft werden. Der Weg führt auch nicht über teppichverlegte Gänge durch ein chrom- und glasblitzendes Gebäude hin ins Allerheiligste, in dem Spezialisten vor riesigen Steuerpulten sitzen, eine Galerie von Monitoren mit den aktuellen Computerauswertungen im Blick haben und die Technik kontrollieren. Stattdessen: Acht ausgetretene, laubverwehte Betonstufen abwärts, durch eine offensichtlich einst graublau lackierte Blechtür hinein in das Kellergewölbe, Lichtschalter ertastet, zehn Schritte weiter die nächste Tür, diesmal mit angeschraubtem Schildchen: PTB Braunschweig, Sendersteuerung, DCF77...

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Alles auf dieser Welt ist schwer -

Foto: Zefa, Hackenberg
Foto: Zefa, Hackenberg

Autorin: Birgit Ehlbeck

nur Atome nicht! Die sind leider viel zu leicht! Dabei wäre es so schön, wenn man einfach sagen könnte: Ein Kilogramm ist gleich der Masse von x Atomen.

Doch Atome sind eben nicht wie Orangen oder Strohballen. Die lassen sich fantastisch wiegen. Nur nicht für die Ewigkeit! Die Reproduzierbarkeit einer solchen Messung ist alles andere als gewährleistet. Preisfrage: Nach einer Woche Regen ...: ist der Strohballen dann schwerer oder leichter? Wer wollte schon so das Kilogramm festlegen? Klar, wir nehmen Metall. - Doch selbst beim härtesten Metall kann man nicht sicher sein: Verändert es sich mit der Zeit?

Die Zeit jedenfalls vergeht bereits im unveränderlichem Maß atomarer Prozesse, und auch die Länge hält sich an die ewig konstante Lichtgeschwindigkeit: Meter und Sekunde zum Beispiel sind mithilfe von Naturkonstanten festgelegt. Weitere vier der sieben Basiseinheiten sind ebenfalls an genau festgelegte Naturgrößen geknüpft. Der Tripelpunkt von Wasser zum Beispiel, an dem Wasser fest (als Eis), flüssig und gasförmig (als Wasserdampf) vorliegt, hat die festgelegte Temperatur von 0,01 Grad Celsius bzw. 273,16 Kelvin. Ein Kelvin ist danach der 273,16. Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes von Wasser. Damit kann das Kelvin wie jede Einheit mit den entsprechenden Instrumenten und Messgeräten an jedem Ort zu jeder Zeit realisiert werden. Wie jede Einheit? Nein- leider ist das Kilogramm gleich der Masse eines kleinen Gegenstands in einem Pariser Tresor...

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Der Mensch als homo metrologicus

Autorin: Birgit Ehlbeck

Wie geht es eigentlich dem Urkilogramm? Als wir nach Paris kamen, waren wir fast so weit, zu denken: Paris - das ist der Eiffelturm, Notre Dame und das Urkilogramm ... Nun, ich würde lieber sagen: das Kilogramm und dann der Eiffelturm.

Oder so! Kann man das Kilogramm besichtigen?
Nein. Wir haben nicht für Besichtigungen geöffnet, weil wir zu klein sind. Wir sind keine öffentliche Organisation, und ich habe nicht die materiellen Möglichkeiten - Räume, ein Museum - und auch nicht das Personal, das Besucher herumführen könnte.

Aber die Öffentlichkeit wäre interessiert und die Stadt Paris möchte es touristisch erschließen?
Oh, nein. Aber die französische Regierung ist sich der Tatsache sehr bewusst, dass wir hier sind. Wir sind eine zwischenstaatliche Organisation und auf Einladung der französischen Regierung hier. Wir sind eine diplomatische Organisation wie die UNESCO oder die OECD. Gegenüber der französischen Regierung haben wir einen speziellen Status, und die Franzosen. sind sich der Ehre sehr bewusst, die Frankreich dadurch erwiesen wird, dass sich das Weltzentrum der Metrologie hier befindet. Das spiegelt die Tatsache wider, dass das metrische System in Frankreich geschaffen wurde.

Wir dürfen es also auch nicht sehen?
Nein, eine Besichtigung ist nicht möglich. Sie können sich vorstellen, dass es ein sehr wertvolles Objekt ist. Es ist der einzige Gegenstand, der eine Maßeinheit verkörpert. Deshalb müssen wir gut auf ihn aufpassen und deshalb wird er in einem Safe aufbewahrt, der nur einmal im Jahr geöffnet wird. Das gehört zu den offiziellen Aktivitäten des Internationalen Komitees für Maß und Gewicht, einem Leitungsgremium, das aus 18 Personen besteht. Auch Professor Göbel (Präsident der PTB - Anm. d. Red.) ist Mitglied dieses Gremiums. Einmal im Jahr vergewissern wir uns, dass das Kilogramm noch da ist. Und dann öffnen wir den Safe natürlich, wenn wir das Kilogramm für Messungen benötigen.

Wie viele Mitarbeiter haben Sie hier zur Zeit?
Wir sind ungefähr 70 Leute.

Und alle halten den Atem an, wenn der Safe geöffnet wird? Wegen des Vakuums oder der Luftverschmutzung..

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Gangwechsel

Foto: Canada-France-Hawaii Telescope
Foto: Canada-France-Hawaii Telescope

Autorin: Ute Khese

Eine Reise durch die Dimensionen der Geschwindigkeit

Die schnellsten Teilchen im Kosmos sind gerade knapp dem Tod entronnen. So schnell sie können, entfernen sie sich von einem Ort, an dem Raum und Zeit enden - einem Schwarzen Loch. Schwarze Löcher gelten als erbarmungslose Weltraum-Staubsauger. Sie verschlingen die Gas- und Staubmassen, die als so genannte Akkretionsscheibe zunächst noch um ein solches Schwarzes Loch kreisen, bis sie rettungslos darin verschwinden. Aber einen Teil dieser Materie speien die kosmischen Nimmersatts förmlich wieder aus. Senkrecht zur Ebene der Akkretionsscheibe schießen aus einem Schwarzen Loch geladene Teilchen in eng umgrenzten Strahlen, so genannten Jets, mit extremer Geschwindigkeit hervor. Bei Schwarzen Löchern im Zentrum von aktiven Galaxien wie etwa Quasaren können diese Jets Millionen Lichtjahre weit ins All hinein reichen. Die Geschwindigkeit der Materie im Jet lässt sich anhand heller Zonen, so genannter Jet-Knoten, bestimmen. Sie wandern im Laufe der Zeit nach außen -; mit bis zu 40facher Lichtgeschwindigkeit. Schneller als Licht - ein Messfehler? Keineswegs...

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Wäre das Auge nicht sonnenhaft...

Nicht alltäglich: Diese Lampe – eines der 23 nationalen Normale für die Einheit der Lichtstärke – leuchtet nur für 20 Minuten pro Jahr.
Nicht alltäglich: Diese Lampe – eines der 23 nationalen Normale für die Einheit der Lichtstärke – leuchtet nur für 20 Minuten pro Jahr.

Autorin: Erika Schow

"..So arrangieren wir gewissermaßen die Hochzeit der Dame Candela. Danach nehmen wir sie in Dienst", erklärt Georg Sauter. Die Dame Candela dient nicht nur der Wissenschaft, sondern einem der größten deutschen Wirtschaftszweige, der Energiewirtschaft - genauer, der Lampenindustrie. "Rund zehn Prozent der elektrischen Energie wird in Deutschland für Beleuchtung gebraucht", erläutert Sauter. "Da lassen sich riesige Mengen Energie sparen, wenn eine Lampe ein bisschen verbessert wird." Um ihre Lampen überprüfen zu lassen, wenden sich die Hersteller regelmäßig an die PTB. Dort schrauben Sauter und seine Kollegen eine solche Lampe (im Alltagsdeutsch würde man Glühbirne sagen) neben einer Normal-Lampe der PTB in eine Messapparatur und richten ein Photometer erst auf die eine, dann auf die andere. Für solche Kalibrierungen sind die wirklichen Ur-Lampen, die nationalen Normale, allerdings zu schade. Diese Kostbarkeiten, 23 Spezial-Glühlampen von der Form einer normalen "Glühbirne", nur etwas größer und mit einem ganz speziellen Wolframdraht versehen, dürfen den Tresor nur einmal im Jahr für 20 Minuten verlassen. So lange dauert es, bis sie mit anderen Glühlampen verglichen sind, die dann als Transfernormale den alltäglichen Kalibrier-Dienst versehen. Auf diese Weise quasi in Watte gepackt, können die Lampen sehr lange halten. Und das ist gut so: Denn niemand würde diese Lampen, die 1960 in Japan entstanden sind, heute nachbauen. "Das war so unglaublich kompliziert, das wäre heute viel zu teuer", sagt Sauter. Und wenn doch einmal eine kaputtgeht? "Dann gibt es nur noch 22 nationale Normale", sagt Sauter trocken...

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Es gibt einen Stern

Foto: dpa
Foto: dpa

Autorin: Birgit Ehlbeck

Und der heißt nach unserem Sohn. Tatsache! Ja, der Stern heißt nach ihm und nicht er nach dem Stern. (Ein Kind "Beteigeuze" oder "Rigel" zu rufen, fänden wir albern). Eine amerikanische Firma vermittelte die Eintragung in das Sternenregister und der Pate kam mit einer Urkunde als Taufgeschenk. Auf der Urkunde, die jetzt im Kinderzimmer hängt, steht in goldenen Buchstaben beider Name (ist ja derselbe), das Datum der Benennung (ist sinnigerweise der Geburtstag unseres Sohnes), sowie die frühere Bezeichnung des Himmelskörpers (ist eine Nummer). Beigefügt ist der kopierte Computerausdruck einer Sternenkarte, auf der der betreffende Stern rot umkringelt ist und halbwegs bekannte Sternbilder in der Nähe namentlich vermerkt sind. Ein eigener Stern! Unser Kind würde sich nie verlassen fühlen! Ein schönes Geschenk - dachten wir ...

Inzwischen ist unser Sohn im besten Fragealter. Natürlich hatten wir ihm von "seinem" Stern erzählt. Es begann mit einer ganz harmlosen Frage: "Mama, gibt es auf meinem Stern einen Hund?" "Nein", sagte ich wie aus der Pistole geschossen. "Eine Katze?" - "Nein!" Nachdem wir alle Tiere und sogar mein Fahrrad und das Auto durchhatten, war ich immer noch arglos und ahnte nicht, was sich da eigentlich ankündigte. Am nächsten Tag sollte es weitergehen ... "Mama, sind da Blumen auf meinem Stern?" "Nein", sagte ich und dachte an Saint-Exupery. "Bäume oder ein Haus?" "Auch nicht!" Die nächste Frage folgte mit zwingender Logik: "Mama, was ist denn da eigentlich auf meinem Stern?" Ich dachte nach. "Staub!" (Das war vielleicht nicht ganz richtig - und ich sollte es bald besser wissen -, aber zumindest befindet sich diese gewöhnliche Materie in unmittelbarer Nähe der meisten Sterne.) "Staub?" Damit hatte er nicht gerechnet. Er sprang auf und krabbelte unters Bett. "Hier ist auch Staub!" tönte es dumpf hervor. Drei Tage war er zufrieden mit der Vorstellung, mit seinem Stern etwas zu teilen: den Staub...

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Das Letzte

Autorin: Erika Schow

"Wer's nicht im Kopf hat, muss es halt in den Beinen haben" - liebe Eltern, bevor Sie dies das nächste Mal zu Ihren Kindern sagen, überlegen Sie genau, welche Folgen es haben könnte. Von diesem Moment an wird Ihr Kind aufhören, Kopffüßler zu zeichnen. Es wird überlegen, dass Sie natürlich Recht haben: Es gibt wichtigere Körperteile. Wie alle Kinder vor ihm wird es seine Figuren fortan mit einem respektablen Bauch versehen - Vati entscheidet doch so gerne aus dem Bauch heraus - und auch den unteren Teil des Körpers nie wieder vergessen. Nach Abschluss des Reifungsprozesses wird es endgültig wissen, wo man die Prioritäten setzen muss. Es wird sich mit Begeisterung denjenigen zuwenden, die mit ihren Füßen einen kleinen Ball über den Rasen treiben, Geisteskämpfer dagegen für reichlich überflüssig halten. Geben Sie es zu - wollten Sie nicht auch schon mal Politiker oder Journalisten in eine möglichst einsame Dachkammer verbannen?

Wie lange schon treibt dieser scheinbar harmlosen Spruch sein Unwesen? Gab es ihn schon zu der Zeit, als die Menschen begannen, ihre verschiedenen Körperteile - nur den Kopf nicht - für das Maß aller Dinge zu halten?..

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