Revolution? Aber genau!

Wenn die Meister des Messens eine Revolution ausrufen, dann gehen sie diese Aufgabe mit höchster Genauigkeit und bestmöglicher Vorbereitung an. So geschehen am Welt­metrologie­tag am 20. Mai 2019. Seitdem bilden sieben in ihrem Wert festgelegte Naturkonstanten die definitorische Basis für alle Einheiten, in denen wir die Welt vermessen. Das Internationale Einheiten­system (SI), die universelle Sprache des Messens, hat damit ein unveränderliches Fundament bekommen.

Dieser durchaus revolutionäre Umbau im Einheitensystem war nötig, da nicht alle Einheiten so glänzend dastanden wie der Meter oder die Sekunde, die sich schon seit vielen Jahrzehnten auf Natur­konstanten bezogen. Ein Sorgenkind unter den Einheiten war das Kilogramm, dessen angejahrte Definition von 1889 eine Masse­verkörperung, das sogenannte Ur-Kilogramm, benutzte, das konzeptionell in der französischen Revolution geboren wurde. Eine Definition mithilfe eines Artefakts bekommt jedoch zwangsläufig Probleme, wenn man genau hinschaut. Und so waren die relativen Massedriften zwischen eben jenem Ur-Kilogramm und seinen Kopien in Paris und in der gesamten Welt nicht mehr hinnehmbar.

Problem erkannt, Problem gelöst? Mitnichten. Erst jahrzehntelange Forschungsarbeit in den nationalen Metrologie­instituten führte schließlich zum Ziel. 2019 gelang es, die Werte der in Rede stehenden Naturkonstanten experimentell ein letztes Mal so genau zu bestimmen, dass sie den höchsten industriellen Anforderungen genügten. Die entscheidende Konstante speziell für eine Definition des Kilogramms sollte die Planck-Konstante sein. Kennt man zusätzlich zu h die Werte der Lichtgeschwindigkeit und die Frequenz des Hyperfein­übergangs des für die Sekunden­definition genutzten Cäsiumatoms, dann lässt sich das Kilogramm aus diesen Konstanten ableiten.

Zwei Experimente für die Bestimmung von h waren es schließlich, die als einzige dieser Mammut­aufgabe gewachsen waren: die Kibble-Waage – siehe den Beitrag von Christian Rothleitner in der aktuellen Ausgabe von „Physik in unserer Zeit“ – und das Avogadro-Experiment, das zunächst in einer internationalen Kooperation gestartet war und dann federführend von der PTB ins Ziel geführt wurde. Zuvor war allerdings ein langer Weg mit anspruchsvollen „Berg-Etappen“ zu bewältigen.

Der intuitiv sofort einleuchtende Plan des Avogadro-Experiments – erste Ideen reichen bis in die 1980er-Jahre zurück – war es dabei, Silizium­atome abzuzählen, um eine makroskopische auf eine mikroskopische, atomare Masse zurück­zuführen und über einige fundamentale Beziehungen neben der Avogadro- auch die Planck-Konstante zu ermitteln. Dazu war es nötig, einen möglichst reinen und perfekten Kristall idealer Form herzustellen. Aber nichts hiervon gibt es von der Stange: nicht das isotopenreine Silizium, nicht den perfekten Kristall und auch keine ideale Form. Für alles mussten neue Lösungen gefunden werden. Allein für das reine Silizium mussten viele Kaskaden von Zentrifugen bei russischen Kollaborations­partnern rotieren – nachdem zuvor diffizile Vertragsverhandlungen zu meistern waren. Anschließend musste aus dem reinen Material ein Einkristall gezüchtet und dieser durch ganz neue Prozeduren in nahezu ideale Kugel­gestalt gebracht werden.

Und danach fing die metrologische Arbeit eigentlich erst an: etwa die Vermessung des Kugelvolumens über ein eigens zu diesem Zweck konstruiertes Kugelinterferometer, die hochgenaue Bestimmung der Isotopenzusammensetzung, was nur durch ein neues Konzept der Massenspektrometrie möglich wurde, die herausfordernde Aufgabe, den Silizium­gitter­parameter zu bestimmen, und auch die Analyse der oxidierten Kugeloberfläche, was eine spezielle Röntgenmethode erforderte. All diese Etappenziele konnten erreicht werden. Jedes einzelne von ihnen eine weltweite Meister­leistung – oft genug aus der PTB.

Vergleichbare Herausforderungen mussten auch die Experimente mit der Kibble-Waage bewältigen. Aber die Anstrengungen führten schließlich beide, Kibble-Waage und Avogadro-Experiment, zu einer durchaus glorreichen Bergankunft. Mit einer hochgenauen Bestimmung der Planck-Konstante, die jetzt einen festen Wert bekommen hat und die nun die Masse­metrologie in die Zukunft tragen wird, und mit vielen innovativen Ideen wie einer industriell verwendbaren, primären Planck-Waage.

Joachim Ullrich, Präsident der Physikalisch- Technischen Bundesanstalt

Weitere Infos

• J. Ullrich: Revolution? Aber genau!, Physik Unserer Zeit 52(5), 211 (2021); DOI: https://doi.org/10.1002/piuz.202170502
• C. Rothleitner: Wieviel Planck-Konstante steckt im Kilogramm? Massemetrologie mit der Kibble-Waage, Physik Unserer Zeit 52(5), 236 (2021); DOI: https://doi.org/10.1002/piuz.202101613
• Joachim H. Ullrich an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt
• Bureau Internationale des Poids et Mesures