Rudolf Meeß blickt auf eine eigentümliche Apparatur: Vier rotierende Stempel halten eine pampelmusengroße Siliziumkugel in ihrer Mitte und lassen sie gemächlich rotieren – mal rechts, dann links herum. Ein milchiges Poliermittel, ein Gebräu wie Wandfarbe, sorgt für die Schmierung. „Pro Minute trägt diese Maschine einen Nanometer von der Kugeloberfläche ab“, sagt Meeß, Ingenieur an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. „Zum Vergleich: Unsere Haare wachsen hundertmal schneller.“ Das Resultat: Die wohl rundeste Kugel der Welt, Stückpreis eine Million Euro.

Sie spielte für ein wissenschaftliches Mammutprojekt eine zentrale Rolle, das nun seinen krönenden Abschluss findet – die Renovierung des Internationalen Einheitensystems (SI). Zum 20. Mai, dem internationalen Tag des Messens, werden vier physikalische Basiseinheiten auf ein neues Fundament gestellt – Kilogramm, Kelvin, Ampere und Mol. Bis dato basierten sie auf zum Teil anachronistisch anmutenden Definitionen. So war die Einheit der Masse seit dem 19. Jahrhundert durch das Urkilogramm vorgegeben – ein Zylinder aus Platin-Iridium. Ab sofort ist sie durch eine unveränderliche Größe festgelegt – eine Naturkonstante.

Das Internationale Einheitensystem entstand im 19. Jahrhundert. Zuvor hatten die Staaten zum Teil ihre eigenen Maßeinheiten genutzt – ein Handelshemmnis. 1875 einigten sich 17 Länder auf die Meterkonvention und gründeten das Internationale Büro für Maß und Gewicht (BIPM). „Eine seiner ersten Aufgaben bestand darin, zwei Metallstücke herzustellen, die Urmeter und Urkilogramm darstellen“, sagt BIPM-Direktor Martin Milton. „Das war 1889.“

Bis heute lagern beide Unikate im Tresor des Jagdschlosses von Breteuil bei Paris, dem Sitz des BIPM. Vom Urkilogramm wurden Dutzende Kopien angefertigt und an Metrologie-Institute in aller Welt verteilt – auch an die PTB. Diese Kopien dienten dann zur Eichung sämtlicher Waagen und Gewichte – bis hin zur Gemüsewaage auf dem Wochenmarkt.

Der Metallzylinder schrumpft

Doch mit der Zeit kamen die Probleme: „Es mehrten sich die Hinweise, dass das Urkilogramm nicht ganz stabil ist“, sagt Michael Milton. Als der Metallzylinder mit seinen Kopien verglichen wurde, schien er im Laufe eines Jahrhunderts um 50 Mikrogramm geschrumpft zu sein. Die Gründe sind ungewiss: Womöglich hat der Metallzylinder unter einer Reinigungsprozedur gelitten, der er gelegentlich unterzogen wurde – eine Handpolitur mit Hirschleder, kombiniert mit einem Dampfbad.

Für andere Einheiten waren solche Probleme längst gelöst, etwa beim Meter: Früher hatte der Urmeter als Maß aller Längen fungiert. Seit 1983 aber ist er durch die Lichtgeschwindigkeit festgelegt – jene Distanz, die das Licht in einem bestimmten Sekundenbruchteil zurücklegt. Das Entscheidende: Die Lichtgeschwindigkeit ist eine Naturkonstante, eine Größe wie in Stein gemeißelt.

Dagegen basierte das Kilogramm bislang auf jenem Metallzylinder aus dem 19. Jahrhundert – ein Anachronismus. Also suchte die Fachwelt nach einer Naturkonstante, mit der sich auch das Kilogramm neu definieren lässt – und stieß schließlich auf die Planck-Konstante. Einst entdeckt von Max Planck, dem Urvater der Quantenphysik, verknüpft sie die Welten von Teilchen und Wellen.

Fachwelt forderte zweite, unabhängige Methode zur Vermessung der Konstante 

Doch um diese Konstante als Kilogramm-Basis verwenden zu können, musste sie erst mal so präzise wie möglich gemessen werden – eine Geduldsaufgabe, die diverse Labore für Jahrzehnte beschäftigte. Labors in Kanada, England und den USA setzten auf eine Apparatur namens Kibble-Waage. Das Prinzip: Man balanciert ein Stück mit bekannter Masse mit einem elektrischen Feld aus, so dass beide im Gleichgewicht sind. Dann misst man die elektrische Spannung, die dafür benötigt wird – ein filigranes Kräftemessen zwischen Gewicht und Elektrizität, aus dem sich am Ende die Planck-Konstante ermitteln lässt.

„Die Herausforderung war, die Kräfte genau auszubalancieren“, sagt Stuart Davidson vom National Physical Laboratory in London. „Unter anderem gab es Schwierigkeiten mit der Temperaturstabilität, der Elektronik und der Mechanik.“ Schließlich konnten die Fachleute die Probleme lösen und präsentierten 2017 einen genauen Wert für die Planck-Konstante.

Der allein aber genügte für die Neudefinition des Kilogramms noch nicht. Die Fachwelt hatte eine zweite, unabhängige Methode zur Vermessung der Konstante gefordert. Sie wurde an der PTB in Braunschweig entwickelt: Basis war jene extrem runde Siliziumkugel auf dem Polierlabor von Rudolf Meeß. Diese Kugel mussten die Forscher möglichst präzise vermessen. Das geschah unter anderem mit raffinierter Lasertechnik: Dazu wurde die silbrig glänzende Siliziumkugel auf einer Spezialhalterung positioniert.

Forscher brauchten Jahre, um Experiment auf nötige Präzision zu drillen 

Glasfasern führten die Laserstrahlen nach innen. Sie wurden von der Kugel reflektiert und von Spezialkameras aufgenommen. „Die sind außerordentlich empfindlich“, erläutert PTB-Forscher Arnold Nicolaus. „Normalerweise kommen sie in der Astronomie zum Einsatz, um das schwache Licht von fernen Sternen zu erfassen.“ Damit gelang es, die Atome in der Kugel genauestens abzuzählen. Anschließen ließ sich daraus die Planck-Konstante über eine mathematische Formel ableiten.

Die Forscher brauchten Jahre, um ihr Experiment auf die nötige Präzision zu drillen. „Wir haben schwere Kämpfe ausgefochten“, erzählt Nicolaus. „Wir mussten uns mit Temperaturschwankungen, Verunreinigungen und Vakuumproblemen herumschlagen.“ Am Ende hatte die PTB die nötigen Messungen abgehakt und konnte 2017 ihr Ergebnis veröffentlichen. Es war genau genug, um die Planck-Konstante festzunageln und die Neudefinition des Kilogramms abzusegnen.

Ähnliches geschah für zwei weitere Basiseinheiten – das Kelvin und das Ampere. Ersteres ist das Maß für die Temperatur und wurde bisher durch den Tripelpunkt des Wassers definiert. Er liegt nahe dem Gefrierpunkt und wird in speziellen Zellen aus Quarzglas gemessen. Mit der Neudefinition ist das Kelvin nun auf die Boltzmann-Konstante zurückgeführt. Sie setzt die Temperatur eines Gases mit der Bewegungsenergie der Gasmoleküle in Beziehung.

Wird das Urkilogramm bald im Museum zu sehen sein? 

Das Ampere, die Einheit der Stromstärke, war bislang über jene Kraft definiert, die zwei parallel verlaufende Drähte aufeinander ausüben. Neuerdings ist es auf die Elementarladung bezogen – ebenfalls eine Naturkonstante. Damit ist nun das gesamte Internationale Einheitensystem auf eine solide Basis gestellt – jede der sieben Basiseinheiten ist ab jetzt auf eine Naturkonstante zurückgeführt.

Doch was werden die Umstellungen für die Praxis bedeuten? Zwar dürfte sich in den Labors und den Werkhallen vorerst nur wenig ändern. Aber: „Die Neudefinition ist eine Investition für die Zukunft“, sagt BIPM-Direktor Michael Milton. „Irgendwann wird sie die Grundlage für neue Technologien sein, insbesondere wenn’s um höchste Präzision geht.“ Perspektivisch könnte die Neuordnung dort von Belang sein, wo man kleinste Mengen mit großer Präzision abwägen muss, etwa in der Pharmazie.

Und wird das Urkilogramm nun bald in einem Museum zu bewundern sein? „Nein“, antwortet Milton, „Wir brauchen es noch. Denn vielleicht lässt sich künftig ja klären, warum der Metallzylinder so stark an Masse verloren hat.“