Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ein neues Fundament für alle Maße

26.03.2015

Naturkonstanten sollen in Zukunft die Einheiten im Internationalen Einheitensystem definieren.

Die Sekunde und der Meter sind als Streber schon vorgeprescht. Das Kilogramm, das Ampere und die anderen aus der Klasse der physikalischen Basiseinheiten versuchen nun den Anschluss zu schaffen. So könnte man ausdrücken, was sich gerade in der Welt der Metrologie, in der Welt des Messens, tut.


Im neuen Internationalen Einheitensystem (SI) werden sieben Naturkonstanten als definierende Bezugsgrößen festgelegt.

PTB

Das Internationale Einheitensystem steht vor einer grundlegenden Neudefinition: Naturkonstanten sollen in Zukunft für alle sieben Basiseinheiten und für alle abgeleiteten Einheiten als definierende Bezugsgrößen dienen. Anfällige Objekte wie das Ur-Kilogramm oder völlig unpraktische Formulierungen wie für die elektrische Stromstärke werden dann ausgedient haben.

Die experimentellen Vorbereitungen für diese neuen Definitionen laufen weltweit – und speziell in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) – auf Hochtouren. Auf der nächsten Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Jahr 2018 soll diese neue Ära dann voraussichtlich offiziell eingeläutet werden. Den großen Nutzen werden Wissenschaft und Hochtechnologie haben. Der Verbraucher wird die Veränderungen in seinen Alltagsmessungen nicht spüren.

Wie lang eine Sekunde, wie weit ein Meter und wie schwer ein Kilogramm ist, weiß jeder – zumindest so ungefähr. In einer Hightech-Welt wollen die Dinge allerdings ein wenig genauer als ungefähr vermessen sein. Und so versuchen die Metrologen dieser Welt, die Grundlagen Ihres Tuns seit jeher auf solide Füße zu stellen und die physikalischen Einheiten bestmöglich zu definieren.

Wären alle Definitionen bereits so weit wie heute schon die Zeit- und die Längeneinheit, die Sekunde und der Meter, wäre die metrologische Welt vollständig in Ordnung. Bei der Zeitmessung sind Atomuhren seit knapp 50 Jahren das Maß der Dinge – aus der Energiestruktur eines Cäsiumatoms lässt sich hier die Sekunde ableiten. Bei der Längenmessung hat der Urmeterstab auch schon seit Jahrzehnten ausgedient und moderneren Definitionen Platz gemacht.

Heute ist der Meter diejenige Strecke, die das Licht in einem ganz gewissen Bruchteil von einer Sekunde zurücklegt. Mit der Lichtgeschwindigkeit als unveränderlicher Naturkonstante ist diese Definition perfekt. Sie lässt sich, anders als beim Urmeterstab, nicht verbiegen, verlängern, verkürzen oder anderweitig verändern.

Ebenso hätten es die Metrologen auch gern bei allen anderen Basiseinheiten, speziell bei Kilogramm und Mol, bei Ampere und Kelvin. Die Situationen bei diesen vier sind stark verbesserungswürdig: Das internationale Ur-Kilogramm und seine nationalen Kopien leiden unter Masseschwankungen und unerklärten Driften. Die Kelvin-Temperaturskala ist auf Wasser gebaut – und der definierende Fixpunkt dieser Skala (der so genannte Tripelpunkt) ist sensibel abhängig von der genauen Isotopenzusammensetzung des verwendeten Wassers.

Das Ampere ist über eine idealisierte Versuchsanordnung zweier unendlich langer, unendlich dünner Leiter und deren Kraftwirkung aufeinander definiert – ein Anachronismus vor allem im Vergleich zu den Einheiten für die elektrische Spannung und den elektrischen Widerstand, die sich auf Quanteneffekte stützen.

Dieser Zustand bei einigen der Basiseinheiten quält die Metrologen schon seit Jahren und ist damit zugleich enormer Ansporn, nach Lösungen zu suchen. Wie bei Sekunde und Meter könnten Naturkonstanten alles zum Guten wenden. Sobald eine Beziehung zwischen einer Basiseinheit und einer Naturkonstante gefunden ist, kann die alte Definition zu den Akten gelegt werden, sofern (und genau hier ist die eigentliche Aufgabe begründet) eben diese Naturkonstante mit hinreichend guter Genauigkeit bekannt ist, d. h. mit eben dieser Genauigkeit gemessen werden kann.

In den Laboratorien der Nationalen Metrologieinstitute (NMI) laufen daher Experimente zur Messung dieser ausgewählten Naturkonstanten. Und mittlerweile sind die Ergebnisse so vielversprechend, dass das Internationale Komitee für Maß und Gewicht auf seiner letzten Generalkonferenz im November 2014 eindeutige Resolutionen für ein neues Einheitensystem verabschiedet hat: Aller Voraussicht nach werden die neuen Definitionen bei der nächsten Generalkonferenz im Jahr 2018 in Kraft treten und damit für alle 55 Mitglieds- und 41 assoziierten Staaten der Meterkonvention verbindlich.

Die verbleibende Zeit bis zur nächsten Generalkonferenz wird nun in allen großen NMI dazu genutzt, die neuen Definitionen experimentell vorzubereiten. In der PTB sind dabei alle Basiseinheiten ein heißes Forschungsobjekt: Die PTB-Ergebnisse bei der Messung der Naturkonstanten für das neue Kilogramm (Planck-Konstante), das neue Mol (Avogadro-Konstante) und das neue Kelvin (Boltzmann-Konstante) sowie die Realisierung des neuen Ampere (Elementarladungen pro Sekunde) sind Schlüsselergebnisse für die Neudefinitionen. jes/ptb

Ansprechpartner
Prof. Dr. Joachim Ullrich, Präsident der PTB und Präsident des Consultative Committee for Units (CCU), E-Mail: joachim.ullrich@ptb.de, Tel.: (0531) 592-1001

Weiterführende Informationen:
• J. Stenger, J. H. Ullrich, „Für alle Zeiten … und Culturen“, Physik Journal 13 (2014) Nr. 11
• Resolutionen der 25. CGPM (General Conference on Weights and Measures): http://www.bipm.org/en/cgpm-2014/

Anhang:
Naturkonstanten zur Neudefinition der Basiseinheiten im Internationalen Einheitensystem
(SI = Système international d´unités)

Die geplanten Neudefinitionen im SI verbinden jede Basiseinheit mit einer „definierenden Konstante“ und legen die Zahlenwerte für diese sieben ausgewählten Konstanten fest. Eine eindeutige Eins-zu-eins- Abbildung existiert für die Sekunde und das Mol. Für die anderen Basiseinheiten braucht man mehr als eine festgelegte Konstante, beispielsweise für das Meter neben der Lichtgeschwindigkeit auch die Cäsium-Referenzfrequenz. Wichtig ist im Rahmen der Neudefinition, dass mit der Festlegung der sieben Konstanten automatisch auch alle abgeleiteten Einheiten definiert sind, so ist etwa das Coulomb (als Ampere mal Sekunde) direkt ein Vielfaches der Konstante „Elementarladung“.

Imke Frischmuth | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.ptb.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht CAST-Projekt setzt Dunkler Materie neue Grenzen
23.05.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Heiße Materialien: Fachartikel zum pyroelektrischen Koeffizienten
23.05.2017 | Technische Universität Bergakademie Freiberg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Diabetes Kongress 2017:„Closed Loop“-Systeme als künstliche Bauchspeicheldrüse ab 2018 Realität

23.05.2017 | Veranstaltungen

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium 2017: Internet of Production für agile Unternehmen

23.05.2017 | Veranstaltungen

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Medikamente aus der CLOUD: Neuer Standard für die Suche nach Wirkstoffkombinationen

23.05.2017 | Biowissenschaften Chemie

Diabetes Kongress 2017:„Closed Loop“-Systeme als künstliche Bauchspeicheldrüse ab 2018 Realität

23.05.2017 | Veranstaltungsnachrichten

CAST-Projekt setzt Dunkler Materie neue Grenzen

23.05.2017 | Physik Astronomie