Revolution des Messens Die alten Maßeinheiten sind abgeschafft

Für die Wissenschaft ist es ein Meilenstein, für den Normalbürger ist es quasi gar nicht passiert.
Die Maße aller Größen - von der Entfernung über das Gewicht, die Stromstärke bis hin zur Temperatur - haben im November 2018 neue Bezugsgrößen bekommen. Sie haben nun eins gemeinsam: Sie werden auf Naturkonstanten zurückgeführt - damit sind die Bezugsgrößen für immer und ewig und an jeder Stelle unseres Universums gültig.

von Karsten Möbius

Was soll der Quatsch eigentlich, werden Sie sich vermutlich fragen. Wenn sich nichts für mich ändert, wenn ich beim Fleischer ein halbes Kilo Gehacktes kaufe? Ein halbes Kilo bleibt nach wie vor ein halbes Kilo - Naturkonstante hin oder her! Jens Simon von der PTB, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig, sagt: Genau das war der Plan:  

Genau das war auch die große Herausforderung, dass man versucht hat, neue Definitionen zu finden, die an den absoluten Größen des Kilogramms, des Amperes, des Kelvin überhaupt nichts ändern, denn sonst hätte man ein echtes Problem.

Jens Simon, PTB Pressesprecher

Das wäre in der Tat ein Tohuwabohu geworden, wenn über Nacht ein Kilo nicht mehr ein Kilo, ein Meter nicht mehr ein Meter gewesen wäre und bei 0 Grad (oder wie es dann immer hätte heißen mögen) niemand mehr gewusst hätte, ob das nun warm oder kalt wäre oder ob man einen Anorak oder eine kurze Hose anziehen sollte.

Ein Maß für alle

Was da gerade passiert ist mit diesen Naturkonstanten, lässt sich am besten an der Längenmessung erklären. Denn Elle und Fuß orientierten sich ganz früher an den Körpermaßen der regionalen Fürsten. Die Arbeitsteilung, die mit der Industrialisierung kam, konnte mit solchen Maßen nichts mehr anfangen. Beispielsweise die Herstellung eines Ottomotors wäre mit Elle und Fuß nicht mehr möglich gewesen, erklärt Rene Schödel, Experte für Längenmessungen an der PTB in Braunschweig:

Wenn Sie sich vorstellen, dass man auch damals vielleicht schon einen anderen Hersteller für einen Kolben als für einen Zylinder haben wollte und die aber genau zueinander passen mussten, dann war man darauf angewiesen, ein universelles Maß zu haben.

Rene Schödel, PTB Längenexperte
Er ist in Deutschland das >Maß aller Massen<: der nationale Kilogramm-Prototyp (Nr. 52) in der PTB, eine der Kopien des >Urkilogrammes<.
Hat ausgedient: Das alte Ur-Kilogramm nach dem sich alle richten mussten. Bildrechte: PTB

Die universelle Grundlage für einen Meter lieferte nach der französischen Revolution seine Herleitung aus dem  Erdumfang. Aber da die Erde keine perfekte Kugel ist und ihr Umfang sich ändert, war dieser Meter nicht wirklich universell, so PTB-Sprecher Jens Simon über die Evolution der Maße: "Man fängt bei menschlichen Maßen an, geht dann zu globalen Maßen, geht dann zu Maßen, die was mit Atomen zu tun haben und kommt dann zu einem vierten Punkt schließlich, wo man sagt, wir nehmen das Stabilste, was die Physik kennt, und das sind Naturkonstanten."

Die Natur gibt den Takt vor

Am 20. Mai 2019 treten die neuen Regeln für die Maßeinheiten in Kraft. Die Stromstärke Ampere orientiert sich an der Ladung des Elektrons, das Kilogramm am Planckschen Wirkungsquantum, die Temperatur an der Boltzmann Konstanten. Ein Meter entspricht der Strecke, die Licht im Vakuum während des 299.792.458-ten Teils einer Sekunde zurücklegt. Eine Sekunde wiederum wird als das 9.192.631.770-fache der Periodendauer von Strahlungsschwingungen an Energieniveau-Übergängen des Cäsium-Isotops 133Cs definiert. Das alles kann nun für die Ewigkeit gelten - immer und überall - auf der Erde - wie in der entferntesten Galaxie. Denn den Einheiten liegt jetzt so etwas wie die DNA des Universums zugrunde, schwärmt Jens Simon: 

Naturkonstanten sind so eine Art Spielregeln der Natur.

Jens Simon

Damit ist das Thema aber noch nicht beendet. Denn die Spielregeln des Universums - um im Bild zu bleiben - hat die Menschheit gerade mal grob überflogen. Jetzt geht es darum, sie genauer zu lesen. Und das heißt: Auf ihrer Grundlage werden die Messungen wie bisher immer genauer, immer noch präziser.

Warum müssen wir immer genauer messen?

Aber wozu? Die Zeit können wir jetzt schon auf bis zu 15 Stellen hinter dem Komma genau bestimmen, das Gewicht auf 8 Stellen. Wenn die Frage kommt, wozu wir immer genauer messen müssen, erzählt Jens Simon gern folgende Geschichte:

"Wenn Sie sich einen Fischer vorstellen, der immer mit seinem Boot aufs Meer fährt und seine Netze auswirft und er fängt seine Fische. Und über die Jahre hinweg macht er sich darüber Gedanken, warum er immer eine gewisse Art von Fischen fängt. Nämlich Fische, die eine gewisse Größe haben. Und er denkt sich: Ach, ich habe ja etwas über die Natur gelernt: Es gibt in dieser Welt nur Fische, die mindestens so groß sind, und zeigt sie mit seinen Fingern.

Und eines Nachts wacht er plötzlich schweißgebadet auf, rennt in seinen Schuppen, guckt sich seine Netze an und sieht, dass die Maschenweite von seinen Netzen genauso wie die Mindestgröße von seinen Fischen ist, und denkt sich: Wow! Jetzt habe ich was Besseres gelernt. Nämlich, wenn ich jetzt die Maschenweite kleinermache, dann fange ich vielleicht ganz andere Fische und lerne etwas Neues. Und genau so ist es in der Wissenschaft. Wenn man die Genauigkeit steigert, machen Sie die Maschenweite kleiner und können tatsächlich neue Dinge über diese Welt lernen."

Sind die Naturgesetze wirklich ewig?

Aber was wollen wir denn noch über die Welt lernen? Die Antwort, die Jens Simon gibt, ist so unerwartet wie faszinierend. Mit immer genaueren Messungen - sagt er - wollen wir herausfinden, ob die Naturgesetze, ob Naturkonstanten wirklich ewig sind, ob die Naturkonstanten ihren Namen zu Recht tragen, ob z.B. das Licht nach dem Urknall tatsächlich genauso schnell war wie heute.

"Und wenn man diese Frage stellt", so Simon, "dann kann man sich das ja nur in einem kleinen Menschenleben anschauen. Ich kann jetzt nicht Jahrmilliarden Jahre zurückgehen. Aber ich kann vielleicht heute messen und ich kann ein Jahr später messen." Vielleicht wird innerhalb eines Jahres die Änderung einer Naturkonstanten extrem klein sein - wenn sie sich überhaupt ändert.

Aber weil das so ist, müssen Sie natürlich auch ein Messgerät haben, was diese kleinste Änderung noch sehen kann. Und darum reicht es eben nicht aus, eine normale Uhr zu haben, die ‚nur‘ 15 Stellen kann. Vielleicht brauchen Sie dann die 18. oder  19. Stelle.

Jens Simon

Falls wir Menschen tatsächlich herausfinden sollten, dass sich neben Raum und Zeit auch die Naturkonstanten verändern, hätte das zwar keinen Einfluss auf Meter und Kilogramm oder unseren Einkauf von einem halben Kilo Hack. Es würde aber unser Verständnis von der Entwicklung des Universums komplett verändern.

Es geht um mehr als nur Physik

Dieses vielleicht neue Weltbild wäre dann nicht nur eine Herausforderung für die Wissenschaft, so Simon. "Das ist nicht nur eine Frage, die was mit Physik zu tun hat und auch nicht nur was mit Philosophie, sondern vielleicht auch was mit Religion. Wer hat diese Welt geschaffen? Und warum hat der das so gemacht? War das alles Zufall, oder hat der das mit Absicht so getan?"

Wenn die Physiker herausfänden, ja Naturkonstanten haben sich geändert, die waren zu Zeiten des Urknalls anders als heute, wenn das sozusagen physikalisch verbriefte Wahrheit wird, dann würde ich gerne wissen wie die Antwort des Papstes darauf ist. Oder der liebe Herrgott wäre wirklich sehr raffiniert, wenn er in den Naturkonstanten absichtsvoll eine zeitliche Änderung drinhat - dann Hut ab!

Jens Simon

Dieses Thema im Programm: MDR AKTUELL Radio | 05. Dezember 2018 | 06:50 Uhr

Zuletzt aktualisiert: 04. Dezember 2018, 16:59 Uhr