maßstäbe Heft 14: Maße für alle

Vorwort

Weil die maßstäbe-Redakteure nicht so ohne Weiteres die Gabe besitzen, in die Zukunft zu schauen, haben sie eine Silizium-Kristallkugel genommen, um zu sehen, ob das neue Einheitensystem auch wirklich verabschiedet wurde – denn der Redaktionsschluss dieser Ausgabe lag etwas vor dem magischen Datum 16. November 2018. Falls die Kugel nicht gelogen hat, und warum sollte sie, ist auf der Generalkonferenz alles glatt gegangen. (v.l.n.r. Erika Schow, Jens Simon, Alberto Parra del Riego, Imke Frischmuth)

Liebe Leserin, lieber Leser,

diese maßstäbe sind ein lauter „Tusch!“ für einen grundlegenden Wandel im Internationalen Einheitensystem (SI), welcher auf der 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) im November 2018 beschlossen wurde: Kein Artefakt mehr wie das Urkilogramm (für die Masseskala) oder ein spezielles Isotopengemisch von Wasser (für die Temperaturskala) sollen die Einheiten definieren, sondern vielmehr das Stabilste, was die Physik zu bieten hat: Naturkonstanten. Diese tauchen in allen fundamentalen Gleichungen der Physik auf und bestimmen somit das „Regelwerk“ der Natur. Naturkonstanten als „Hauptdarsteller“ für die Einheiten? Auf eine solche Idee kamen schon vor weit über hundert Jahren große Geister wie James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann und Max Planck. Und jetzt wird diese Idee ganz praktisch. Denn nachdem metrologische Institute auf der ganzen Welt in extrem aufwendigen Experimenten die Werte ausgewählter Naturkonstanten möglichst exakt gemessen haben, wurden deren Werte im November 2018 nun ein für alle Mal festgelegt. Am 20. Mai 2019, dem Weltmetrologietag jenes Jahres, wird „das neue SI“ in Kraft treten.

Ihr Jens Simon

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stabil

Autorin: Erika Schow

Eijeijei – da sind ja einige Kilos mehr auf der Waage als beim letzten Rendezvouz – von wem mögen denn die stammen? Tja, meine Dame und mein Herr, das werden Sie alleine klären müssen. Wir hier in der PTB sind jedenfalls nicht schuld. Auch nicht, wenn eine solche Szene sich am 20. Mai 2019 wiederholen sollte. Denn an diesem Tag, dem Weltmetrologietag jenes Jahres, wird ja der große Umbruch geschehen: Das neue SI gilt! War ein Kilogramm am Tag davor noch gleich der Masse eines Klotzes in einem Pariser Tresor, werden ab der ersten Sekunde dieses magischen Tages alle Massen der Welt auf drei Naturkonstanten beruhen. Aber wie sehr Sie als Bürger auch aufpassen: Sie werden rein gar nichts bemerken. Selbst jener frühere PTB-Mitarbeiter, der jahrzehntelang sämtliche Tankquittungen sammelte, um akribisch nachzuvollziehen, wie sich dort die Preise verändert haben, hätte keine Chance, Entsprechendes, sagen wir mal, bei Supermarktwaagen zu tun: Ein Kilo Bananen bleibt ein Kilo Bananen, basta!

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Was ist für Sie unveränderlich?

Die maßstäbe-Redaktion wollte von Braunschweiger Bürgern wissen, was konstant ist oder es sein sollte. Hier ist das Ergebnis der kleinen Umfrage.

Carola Reimann
„Was immer bleiben sollte? Meine Heimat. Da, wo ich mich zuhause fühle.“
„Wenn ich an unsere deutsche Vergangenheit und manche Auswüchse in unserer Gegenwart denke, dann wünsche ich mir, dass eines für immer bestehen bleiben sollte: das demokratische System.“

Braunschweiger Löwe
„Was die Menschlein da unten so reden. Sollen lieber mal nach oben schauen. Hier habe ich die Macht – okay, zusammen mit Heinrich. Aber das seit 1166. Das ist unveränderlich.“

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genau

Autor: Jens Simon

War es vielleicht so? Anfang Juli 2017. Der Abend ist lau, die Stimmung aufgeräumt, die Seine fließt träge vor sich hin. Fünf Männer, alle ein wenig müde, sitzen in einem kleinen Konferenzzimmer an einem mit grünem Samt bezogenen Tisch, der ein wenig an Glücksspiel denken lässt. Auf dem Tisch steht ein urnenartiger Behälter. Ein Bediensteter tritt auf, überprüft den Inhalt der Urne, schenkt Rotwein nach und überlässt die Fünf ihrem Schicksal. Draußen rauscht leise der Wind durch die Pappeln. Martin: „Jetzt ist es soweit. Lasst uns das Glück suchen.“ Als Erster ist Willie an der Reihe, greift in die erste Urne, zieht eine Sechs und legt die Kugel zurück. „Ich hab´s ja gewusst.“ „Lass mich mal“, sagt Hector und zieht eine Zwei. „Komm, Willie, zieh noch mal.“ Und wieder eine Sechs. Willie nimmt einen tiefen Schluck aus seinem Glas, lehnt sich, man hat den Eindruck, beleidigt, zurück. Luc: „Muss erst der Franzose kommen, um dem Glück auf die Sprünge zu helfen?“ Er greift in die Urne. „Ha, eine Null. Darf ich nochmal?“ Zustimmendes Gemurmel. „Oh là là, eine Sieben. Wenn jetzt noch eine Null kommt, bestelle ich mir einen Martini dry.“ Er zieht. Eine Null. „Lasst die Kindereien“, meldet sich Joachim zu Wort. Schneller, als alle gucken können, zieht Joachim, nicht ganz regelgerecht, zwei Kugeln. Eine Eins. Und eine Fünf. Martin: „Männer, wir haben es getan. Lasst uns anstoßen. Und ihr wisst ja: Stillschweigen, auf ewig.“ Gläser klirren. Draußen rauscht der Wind.

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Das Kilogramm-Problem – und seine Lösung

Internationales Klassentreffen der Massemetrologen im BIPM. Die eigentlichen Hauptdarsteller sitzen jeweils auf dem Schoß oder werden auf Händen getragen: die nationalen Kopien des Urkilogramms. (Bild: Aus dem Film „1001 Gramm“ . Die Szene wurde im BIPM gedreht.)

Autor: Jens Simon

Manchmal kann es ein Problem sein, wenn das Schwere leichter wird. Die Rede ist von einem kleinen Metallzylinder, den sich die Welt Ende des 19. Jahrhunderts (!) als Bezugsobjekt gewählt hat, um zu sagen, was ein Kilogramm sein soll. Nur leider nagt der Zahn der Zeit an allem und also auch an diesem nahezu heiligen Objekt, das scheinbar sicher und vor allen Einflüssen geschützt in einem Tresor im Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) in Sèvres bei Paris verwahrt wird. Dass sich dieses Urkilogramm verändert, wurde durch Vergleichsmessungen mit seinen offiziellen Kopien (die ebenfalls im BIPM zuhause sind) und mit den in die Welt geschickten nationalen Prototypen deutlich. Bei diesen Vergleichsmessungen fuhr den Metrologen der Schreck in die Glieder. Denn sie mussten konstatieren, dass die Massen dieser Kilogramm- Objekte schwanken. Tendenziell werden die Unterschiede zwischen den nationalen Prototypen und dem Urkilogramm immer größer, und zwar um etwa ein halbes Mikrogramm pro Jahr. Da eine lange Zeit verflossen ist, seit das Urkilogramm seinen Dienst angetreten hat, ist eine beachtliche Massendifferenz aufgelaufen. Und noch ärger: Die Veränderungen geschehen nicht geradlinig und vorhersehbar, sondern fallen mal so oder auch mal ganz anders aus.

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Der Blick in die Kristallkugel

Autorin: Imke Frischmuth

hat im Laufe der vergangenen 20 Jahre fast alle ihre Geheimnisse enthüllt. Wohl kaum ein Objekt auf der Welt ist so genau untersucht worden wie die Silizium-28-Kugeln der PTB.

Am Anfang stand der Wunsch, mithilfe einer hochreinen Siliziumkugel die Avogadrozahl genauer zu bestimmen – also die Anzahl von Teilchen in einem Mol. Angetreten war ein internationaler Verbund von Forschungspartnern aus aller Welt zum „Avogadroprojekt“. Anschließend wäre es nur ein kleiner Schritt gewesen, auch das Kilogramm über eine genaue Anzahl von Siliziumatomen zu definieren. Doch die internationale Gemeinschaft entschied sich für einen anderen Weg, und so verschob sich der Forschungsschwerpunkt mit den Jahren hin zur Ermittlung der Planckkonstante h.

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Wo steckt Planck in der Kugel?

Autor: Jens Simon

Was lässt sich alles aus einer perfekten Kristallkugel (zweifach perfekt: Kristall und Kugel) durch einige Messungen und einiges Vorwissen erschließen? Z. B. die Masse eines Atoms im Kristallgitter. Aber auch die Werte einiger Naturkonstanten – etwa der Avogadro-Konstanten und der Planck-Konstanten. Im Labor ist dazu eine Unmenge akribischer Arbeit von Experimentatoren nötig. Auf dem Papier geht es (theoretisch) leichter – mit ein paar Umformungen, Ersetzungen und einigen Begriffsdefinitionen. So kommt schließlich auch die tief in der Quantenmechanik verwurzelte Planck-Konstante aus einem makroskopischen Kristall zum Vorschein.

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Punktlandung – Weltweite Messwerte am Stichtag

Autor: Jens Simon

Die Grenze des Messbaren verläuft durch Braunschweig, Gaithersburg, Ottawa, Trappes, Tsukuba und Turin. In den dort ansässigen nationalen Metrologieinstituten haben Wissenschaftler in den vergangenen Jahren in extrem aufwendigen Experimenten zwei Naturkonstanten so gut es irgend geht gemessen: die Avogadro-Konstante N_A (dargestellt als Skala am linken Rand der Grafik) und die Planck-Konstante h (dargestellt als Skala am rechten Rand). Diese beiden gehören zu dem Ensemble von Naturkonstanten, das in Zukunft das Internationale Einheitensystem (SI) bestimmen wird. Gemessen wird dabei in zwei prinzipiell sehr unterschiedlichen Experimenten. Zum einen sind dies Wattwaagen-Experimente (rote Symbole), in denen die Schwerkraft auf ein Kilogrammobjekt durch eine elektromagnetische Kraft (gemessen mit Quanteneffekten) kompensiert wird. Zum anderen sind dies Experimente mit Siliziumkugeln, in denen die Anzahl der Atome in einem großen Kristallverbund bestimmt wird – die Experimentvariante, die auch die PTB verfolgt. Die metrologische Weltgemeinschaft hatte sich nun einen Stichtag gegeben: Alle Experimente, die bis zum 1. Juli 2017 erfolgreich waren und publizierte Ergebnisse vorweisen konnten, wurden in die Berechnung des „Ausgleichswertes“ der jeweiligen Naturkonstante einbezogen.

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Die Erbsenzähler

Autorin: Andrea Hoferichter

Der eine macht aus einem Witz eine bahnbrechende Messstrategie, der andere setzt sie penibel in die Praxis um. Zwei Chemiker schaffen die Voraussetzung für die Neudefinition des Kilogramms. Eine Geschichte mit Krimiqualitäten.

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Das „revolutionäre“ Ampere

Autorin: Dörte Sasse

Für den Endverbraucher ändert sich nichts. Für die Experten aber ist es eine Revolution. Vielleicht. Die Neudefi nition der elektrischen Einheiten im SI ist ein Quantensprung – und holt das Volt und das Ohm aus der „Quasi-Illegalität“. Von Dreiecken und dem Schäfchenzählen …

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Von der Kunst, sich durchzubeißen

Autorin: Ute Kehse

Zehn Jahre lang hat ein PTBTeam daran gearbeitet, die Boltzmann-Konstante so genau zu vermessen wie irgend möglich. Es war ein steiniger Weg – mit einigen wenigen Glücksmomenten.

Wenn es um wohltemperierten grünen Tee geht, kann Christof Gaiser schon mal ein Auge zudrücken. „Das sind jetzt wohl eher keine 90 Grad“, bemerkt der promovierte Experimentalphysiker entschuldigend, während er heißes Wasser undefinierter Temperatur in eine schwarze Teekanne in seinem Büro gießt.

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Ein Wimpernschlag in der Geschichte des Universums

Autorin: Brigitte Röthlein

Es ist ein sehr ambitioniertes Unterfangen, das sich Ekkehard Peik und seine Mitarbeiter in der PTB vorgenommen haben. Sie versuchen, eine Veränderung von Naturkonstanten nachzuweisen, die – wenn sie überhaupt stattfindet – nur in Milliarden Jahren spürbar würde, weil sie so langsam vor sich geht. Damit wollen sie die grundsätzliche Frage klären: Sind unsere Naturkonstanten seit dem Urknall gleich geblieben? Wurden sie damals „festgenagelt“, wie Peik das nennt? Oder haben sie sich ganz allmählich eingeschwungen und oszillieren auch heute, 14 Milliarden Jahre später, noch immer? Oder driften sie auf einen endgültigen Wert zu, ähnlich wie das die Temperatur des Weltalls tut, die stetig, wenn auch langsam, niedriger wird? „Ich persönlich finde dieses Bild ganz plausibel“, sagt der Forscher. „Ich kann es mir intuitiv sehr gut vorstellen, dass die Werte langsam abklingen. Aber wir sprechen über eine riesige Zeitspanne. Die wirklich dramatischen Dinge sind in den ersten 10⁻²⁰ Sekunden nach dem Urknall passiert. Und jetzt leben wir – auf

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To top

innovativ

Autorin: Erika Schow

Wenn sich eine Schranke öffnet, hat sich manchmal schon eine ansehnliche Reihe von Wartenden versammelt. Geht die Schranke endlich auf, kommen die Menschen zur täglichen Arbeit – oder auch in neues, unbekannteres Terrain, wer weiß?

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Unsicherheit abwägen

Hundertmal dasselbe messen heißt nicht, hundertmal dasselbe Ergebnis zu bekommen. Die Ergebnisse streuen vielmehr – immer. Wenn die Werte alle dicht beieinander liegen, ist die Messung zwar präzise. Aber erst wenn sich alles, symbolisch gesprochen, um das Zentrum der Zielscheibe gruppiert, ist die Messung auch genau (siehe Zielscheibe Seite 38).
Illustrationen: PTB

Autor: Frank Frick

„Sartorius beherrscht die Technologie des Wägens wie kein anderer“, behauptet der Göttinger Konzern selbstbewusst von sich. Wie blicken die Experten des Unternehmens auf das Vorhaben, das Urkilogramm außer Dienst zu stellen?

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Joseph und seine Kollegen

Wer etwas auf die Goldwaage legt, nimmt etwas sehr genau. Wirklich genau wird es aber erst in einem Massekomparator. In solchen Hightech-Geräten (wie hier in der PTB) werden Massevergleiche durchgeführt, z. B. zwischen einer Siliziumkugel und anderen Massenormalen. Bestehen diese Gewichtsstücke aus verschiedenen Materialien, müssen je nach umgebendem Medium (Luft oder Vakuum) auch Auftriebs- und Sorptionseffekte berücksichtigt werden. (Das Bild zeigt den Drehteller mit verschiedenen Massekörpern und Sensoren. Die eigentliche Wägezelle ist im Bild nicht zu sehen.)

Autor: Alexander Stirn

Wie ein Messgerät, das sogar einen Namen bekommen hat, jetzt schon mithilfe einer Naturkonstante andere Messgeräte kalibriert. Eine Geschichte von vielen grauen Kästen und dem Warten auf Josephs zukünftige Brüder, die in der Industrie (statt wie bisher nur in der PTB) das Ohm und das Ampere „machen“ werden.

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Li Shi

Autorin: Erika Schow

Sehr geehrter Herr Dr. Sperrling,

vielen Dank für Ihre ausführliche Antwort! Es ist nett, dass Sie das Anliegen einer 70-jährigen so ernst nehmen. Ich hatte ja geschrieben, dass ich als ehemalige Physiklaborantin und Großmutter einer physikbegeisterten Jungen immernoch sehr an dem Thema Physik...

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abstrakt

Autorin: Imke Frischmuth

Jetzt aber schnell. Ich nehme bei jedem Schritt zwei oder drei Stufen auf einmal. Der Walkman leiert. Es klingt, als wenn Nena lallt. Als ich die Klassenraumtür aufreiße, sind schon fast alle Plätze besetzt. Die Tische stehen einzeln, wie bei Klassenarbeiten üblich. Thorsten begrüßt mich mit der Becker-Faust und grinst, genau wie mir scheint ihm die Wimbledon- Sensation noch in den Knochen zu stecken. Dann wird es ernst. Ich kann mir gerade noch einen freien Platz schnappen, da verteilt der fiese Brakmann schon die Physikaufgaben. „Erläutern Sie die bisherige Definition der Einheit Kilogramm…“. Astrein, kann ich: Französische Revolution, Urkilogramm im Safe, Kopien in aller Welt. „… und die neue. Vergleichen Sie beide miteinander.“ Was? Bitte nicht! Mir wird heiß. Los, streng dich an! „Planck!“, schreit eine schrille Stimme in mir, „Konstante!“. Dann herrscht Stille im Kopf. Mehr kommt nicht. Ich gucke zu Thorsten rüber. Er starrt blass auf das Aufgabenblatt. Vor mir sitzt Sabine, ihre Schultern zucken. Vielleicht weint sie. „Los, sei eiskalt, wie der Boris, denk nach!“, ermahne ich mich. Doch die Antwort kommt schnell und hysterisch: „Das ist gemein, ich kann das nicht! Das habe ich noch nie verstanden!“ Panik. Der Füller rutscht aus meiner schwitzigen Hand und macht einen hässlichen Klecks auf dem Papier. Ich bin wie erstarrt, als es endlich klingelt.

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Doppelschulstunde

>>Einführung in das internationale System der Einheiten<<

Als normale Verbraucher werden wir von den Veränderungen beim SI gar nichts spüren. Aber im Physikunterricht wird Schülerinnen und Schülern beim Thema „Maßeinheiten“ nun einiges abverlangt. Die maßstäbe-Redaktion hat gemeinsam mit einem Physik- Grundkurs der Klasse 11 am Braunschweiger Gymnasium Martino-Katharineum ausprobiert, wie man sich dem Thema „Internationales Einheitensystem“ annähern könnte.

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An alle Schulbuchredakteure/ -innen in Deutschland

Sehr geehrte Damen und Herren,

die maßstäbe-Redaktion hat mir freundlicherweise erlaubt, meinen Brief hier zu veröffentlichen, weil mir als...

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To top

universell

Autor: Jens Simon

Dafür, dass die Welt ein Dorf sein soll, geht es in ihr ganz schön vielsprachig zu. Wer in den Weltatlas der Sprachstrukturen schaut, wird Augen machen angesichts des bunten Sprach- Flickenteppichs, der den Globus überzieht. Die Anthropologen schätzen, dass derzeit noch bis zu 7000 verschiedene Sprachen aktiv gesprochen werden. In der Vergangenheit waren es deutlich mehr. In Zukunft werden es deutlich weniger sein. Denn viele dieser Sprachen sind tatsächlich „dörflich“ – mit weniger als 1000 Menschen, die sie sprechen. Auf der anderen Seite spricht etwa die Hälfte der Weltbevölkerung eine der zehn meistgesprochenen Sprachen (Platz 1: Mandarin-Chinesisch, Platz 10: Deutsch).

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"Die größte Umwälzung im Einheitensystem seit der Französischen Revolution"

Autor: Rainer Scharf

Ein Gespräch mit Klaus von Klitzing kurz von der Einführung des neuen SI

An einem sonnigen Herbsttag treffe ich Professor Klaus von Klitzing, den Physik-Nobelpreisträger von 1985, zu einem Gespräch über das geplante „neue“ Internationale Einheitensystem und die faszinierende Physik dahinter. Wir sitzen in seinem geräumigen Büro im fünften Stock des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart, wo er noch bis zu seiner Pensionierung einer von neun Direktoren ist. Auf dem Tisch stehen zwei Tassen mit dampfendem Tee und eine Funkuhr, die ihre Zeit sekundengenau von den Atomuhren der PTB bezieht.

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Das Letzte

Leserbriefe zu Heft 13

Sehr tolle Hefte für interessierte Laien.

Michael Kark, Darmstadt,
13.11.2017

Ich bin ein sehr interessierter und begeisterter Leser der Zeitschrift maßstäbe. Leider habe ich schon länger keine Zeitschrift mehr erhalten. Bin ich übersehen worden? Dann bitte ich höflich um Zusendung der neuen Ausgabe und füge gleichzeitig gute Wünsche für die Redaktion bei. Gutes Gelingen weiterhin. Großartiges wurde bisher geleistet.

Franz-Arnold Cöllen,
Bad Fallingbostel, 1.8.2017

Das Angebot ist wunderbar, und ich kann meine Kinder hoffentlich dank der hochinteressanten Zeitschriften noch mehr für Technik interessieren.

Dr. Klaus Hofbeck, Neumarkt,
6.5.2017

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Offener Brief an meine alte "peer group" der Theoretischen Physik

oder

Ein Lob auf 6,626 070 15 · 10^-34

Liebe Theoretiker,

ach, was soll ich sagen. Ich liebe Euch und Euer Denken ja nach wie vor. Nichts hat mir die Welt besser erklärt als die fundamentalen Theorien des Großen und des Kleinen, des Mechanischen und des Elektrischen, des Geordneten und des Chaotischen. All das formuliert in Gleichungen, die für...

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