Die "fundamentalen Sieben" - scinexx | Das Wissensmagazin
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Die SI-Einheiten und ihre Bedeutung

Die „fundamentalen Sieben“

Seit 1960 bestimmen sieben Grundeinheiten nahezu alles, was man messen kann. Denn alle Maßeinheiten lassen sich direkt oder indirekt auf diese „fundamentalen Sieben“ zurückführen. Zu diesen sogenannten SI-Einheiten gehören der Meter, das Kilogramm und die Sekunde. Außerdem Kelvin als thermodynamisches Maß der Temperatur, Ampere als Einheit der Stromstärke, Candela für die Lichtstärke und das Mol als Einheit für die Stoffmenge.

Bisher das Maß aller Massen: der internationale Prototyp des Kilogramms. © BIPM

Das System der Referenzen

Um sicherzustellen, dass diese Einheiten immer und überall den gleichen Wert haben, legt die Meterkonvention fest, welches Referenzobjekt oder welche Messmethode jeweils gelten. So war für das Kilogramm bisher der Platinzylinder in Paris die weltweite Referenz. Alle nationalen Metrologiebehörden haben von diesem Ur-Kilogramm eine offizielle, geeichte Kopie. In den einzelnen Ländern werden dann weitere Kopien erstellt, die an regionale Eichämter und andere Institutionen gehen. In regelmäßigen Abständen werden alle diese Eichgewichte mit der jeweils höherrangigen Referenz verglichen, um eine dauerhafte Übereinstimmung sicherzustellen.

Im Falle von Einheiten für weniger „fassbare“ Maße wie beispielsweise die Temperatur oder das Ampere, dienten standardisierte Messmethoden als Referenz. So war beispielsweise das Kelvin über den Tripelpunkt des Wassers definiert – den Druck- und Temperaturverhältnissen, an dem Wasser zu gleichen Teilen gasförmig, flüssig und gefroren ist. Bei 611 Pascal Druck liegt dieser Tripelpunkt per Definition bei 273,16 Kelvin. Ein Kelvin ist daher genau der Kehrwert dieser Temperatur.

Subtile Abweichungen

Das Problem jedoch: Die bisherigen Referenzobjekte und Messmethoden sind nicht hundertprozentig verlässlich. Beim Tripelpunkt beispielsweise kann schon eine winzige Abweichung in der Isotopenzusammensetzung des Wassers die Messung verfälschen. Bei Urmeter führten Temperaturschwankungen dazu, dass sich der Metallbalken ausdehnte oder zusammenzog.

Abweichungen von Kopien des Ur-Kilogramms vom Pariser Prototyp. © NIST

Beim Kilogramm haben Vergleichsmessungen subtile Abweichungen in den Referenzzylindern enthüllt: In den letzten hundert Jahren haben einige Kopien bis zu 50 Mikrogramm Unterschied zum Ur-Kilo in Paris entwickelt. Ob dieses tatsächlich geschrumpft ist und warum, ist allerdings bis heute rätselhaft. Erschwerend kommt hinzu, dass mehrere andere SI-Einheiten bisher indirekt auf dem Kilogramm beruhten. Hat das Kilogramm ein Problem, überträgt sich dieses demnach auch auf Mol oder Ampere.

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Hemmnis für Wissenschaft und Technik

Diese minimalen Abweichungen sind zwar für unseren Alltag und das Kilo Äpfel an der Obsttheke relativ unerheblich, nicht aber für Wissenschaft, Technik und Wirtschaft. Denn in der Laserphysik oder bei kleinsten Teilchen wird längst mit Trillionstel Sekunden oder Billiardstel Meter gerechnet. Beim Global Positioning System (GPS) beruht die Ortung unseres Autos auf der perfekten Synchronizität der Atomuhren an Bord der GPS-Satelliten. Gehen sie auch nur um winzige Sekundenbruchteile ungenau, ist das gesamte System fehlerhaft.

Unter anderem deshalb suchen Metrologen schon seit Jahrzehnten nach Wegen, um alle SI-Einheiten auf allgemeingültige und unveränderliche Referenzen zurückzuführen – auf die Naturkonstanten. Zu diesen Konstanten gehören beispielsweise die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, die Elementarladung des Elektrons oder die Planck-Konstante, die die kleinstmögliche Einheit der Energieübertragung angibt.

Doch wie bringt man diese Naturkonstanten ins Einheitensystem?

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Nadja Podbregar
Stand: 23.11.2018

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Die Maße aller Dinge
Die SI-Einheiten und ihre Neudefinition

Die Basis des Messens
Vom Kalkklötzchen zum Ur-Kilogramm

Die "fundamentalen Sieben"
Die SI-Einheiten und ihre Bedeutung

Licht und ultrakalte Atome
Die Basis für Meter und Sekunde

Das neue Kelvin
Vom Tripelpunkt zur Boltzmann-Konstante

Elektronenzählen leicht gemacht
Der Weg zum neuen Ampere

Abschied vom Ur-Kilogramm
Neudefinition der Einheiten für Masse und Stoffmenge

Revolution der Metrologie
Was bringt das neue SI?

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