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SI-Standard

Neue internationale Festlegung von SI-Einheiten

 

Das Internationale Einheitensystem SI steht vor einer grundlegenden Neudefinition: Naturkonstanten sollen in Zukunft für alle sieben Basiseinheiten und für alle abgeleiteten Einheiten als definierende Bezugsgrößen gelten. Sieben Naturkonstanten erhalten im neuen SI festgelegte Werte; die Zahlenwerte entstammen den Ausgleichsrechnungen von CODATA im Sommer 2017 (CODATA 2017 special adjustment).

 

Die Welt ist sich in vielen Dingen nicht einig. Aber alle wollen mit denselben Maßen messen. Ein Wunsch, der sich in einer globalisierten Welt wirtschaftlich buchstäblich auszahlt. Am Weltmetrologietag am 20. Mai 2019 kommt es daher zu einem Paradigmenwechsel in der Wissenschaft vom physikalisch präzisen Messen. Vorbei sind dann die Zeiten, in denen ein Metallzylinder vorschreibt, was ein Kilogramm sein soll, oder eine spezifisch herzustellende Isotopenmischung von Wasser die Einheit der Temperatur festlegt.

 

Naturkonstanten definieren in Zukunft alle sieben Basiseinheiten und deren Bezug

 

Das Internationale Einheitensystem (Système international d`unités, kurz: SI) erhielt mit der 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht im November 2018 eine grundsätzliche Änderung: Naturkonstanten definieren seitdem alle physikalischen Einheiten, darunter die Lichtgeschwindigkeit c, das Plancksche Wirkungsquantum h und die Boltzmann-Konstante k. Unzulänglichkeiten bei den Definitionen von Kilogramm, Kelvin und Co. machen diesen Paradigmenwechsel notwendig. Besonders prägnant: Das Ur-Kilogramm und seine Kopien unterscheiden sich in ihrer Masse zum Teil um ein halbes Mikrogramm pro Jahr – ein auf Dauer unhaltbarer und im Detail unverstandener Effekt.

Ähnlich ergeht es anderen Einheiten, was ironischer Weise derzeit dazu führte, dass die offiziellen Werte der Naturkonstanten regelmäßig angepasst werden mussten und daher

»veränderlich« waren! So bekam die Ladung des Elektrons alle vier Jahre einen neuen Zahlenwert – obwohl sie sich real natürlich nicht geändert hat. Deswegen nehmen die Metrologie-Institute künftig das Stabilste, was die Physik zu bieten hat: Naturkonstanten! Diese tauchen in allen funda- mentalen Gleichungen der Physik auf und bestimmen somit das »Regelwerk« der Natur. Nachdem metrologische Institute weltweit in extrem aufwendigen Experimenten die Werte der wichtigsten Naturkonstanten möglichst exakt gemessen haben, wurden deren Werte im November 2018 nun ein für alle Mal festgelegt. Alle Einheiten lassen sich seitdem als Kombination von Naturkonstanten darstellen: Die Sekunde mit dem Bezug auf einen Elektronenübergang im

Naturkonstanten

Wenn die Änderungen im Internationalen Einheitensystem (SI) am Weltmetrologietag am 20. Mai 2019 in Kraft treten, spielen die Werte ausgewählter Naturkonstanten die Hauptrolle (siehe Tab. 1). Sie definieren sowohl die bisherigen Basiseinheiten als auch alle abgeleiteten Einheiten. (Grafik: PTB)

Silizium_Kilogramm SI-Einheiten_300dpi

im Cäsiumatom und der Meter mit dem Bezug zur Lichtgeschwindigkeit hatten dies schon vorgemacht; und auch die elektrischen Einheiten Volt und Ohm hatten sich schon bei Quanteneffekten und entsprechenden Konstanten für ihre Realisierung bedient. Mit der Neuregelung ist das Kilogramm jetzt sehr eng mit dem Planckschen Wirkungsquantum h verkoppelt, das Kelvin mit der Boltzmann-Konstante k und das Ampere mit der Elementarladung e.

Für eine vollständige Darstellung kommen freilich noch weitere Konstanten hinzu. Das komplett neu definierte Einheitensystem beseitigt die Mängel des bisherigen Systems, wobei die Änderungen im täglichen Leben nicht bemerkbar sind. Der Vorteil ist jedoch überzeugend: Naturkonstanten gelten überall. Damit bildet das neue SI gewissermaßen eine universelle Sprache, im Gegensatz zum Ur-Kilogramm oder dem Tripelpunkt von Wasser, die auf historisch gewachsenen, durch Herstellungsvorschriften definierten Objekten basierten. Damit ist das SI für alle Zeiten und an jedem Ort offen für alle technologischen Innovationen.

Quellen: Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG), Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB), www.ptb.de

Bearbeitung: WolfgangKlinker, Klinker@industry-focus.info

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Das Kugelinterferometer der PTB ermöglicht die extrem genaue Erfassung voll- ständiger Durchmessertopografien und ist eine der entscheidenden Messeinrich - tungen im Rahmen des Avogadro-Projektes der PTB. Es wurde im Jahre 1996 als grundlegend neuartiges optisches Vielstrahlinterferometer mit sphärischen Referenzflächen aufgebaut. Quelle: PTB

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