Beim olympischen Gewichtheben geht es um die Masse: Je mehr die Sportler und Sportlerinnen stemmen, reißen und stoßen können, desto näher kommen sie ihrem Medaillentraum. Dabei wuchten sie dank extrem trainierter Muskeln mehr als doppelte ihres Körpergewichts in die Höhe. Allerdings: Würden die olympischen Spiele auf dem Mond oder Mars stattfinden, hätten die Athleten es trotz gleichbleibender Masse ihrer Hanteln deutlich leichter. Der Grund dafür liegt im feinen, aber entscheidenden Unterschied von Masse und Gewicht.
Einstein, Energie und Elektronenvolt
Die Masse ist eine Grundeigenschaft der Materie, die sich aus der Anzahl ihrer Atome und ihrer Energie ergibt. Albert Einstein erkannte bereits, dass sich Masse in Energie umwandeln lässt und umgekehrt, und fasste dies in seiner berühmten Formel E=mc². Dieser Zusammenhang ist unter anderem dafür verantwortlich, dass bei der Kernfusion im Herzen der Sterne enorme Mengen an Energie freiwerden.
Während die Masse ruhender Körper – wie beispielsweise einer Hantel, eines Diskus oder eines Speeres – auf der Erde mittels Waagen gemessen werden, muss man bei sehr kleinen oder sehr weit entfernten Objekten zu anderen Methoden greifen. Wenn Teilchenphysiker beispielsweise kurzlebige Elementarteilchen wie das Higgs-Boson oder Partikel aus vier Quarks in ihren Beschleunigern erzeugen, dann geben sie deren Masse in Elektronenvolt an – weil Masse und Energie ja ohnehin äquivalent sind. Astronomen wiederum ermitteln die Masse ferner Planeten oder Sterne meist indirekt, über die Schwerkraftwirkung, die diese Objekte auf andere ausüben.
Der entscheidende Unterschied von Masse und Gewicht
Die Masse eines Körpers ist dabei unabhängig davon, ob dieser schwerelos im Raum schwebt oder auf der Erde liegt. So hat eine olympische Hantel von 264 Kilogramm bei den olympischen Spielen in Rio de Janeiro die gleiche Masse, als wenn man sie auf den Mond transportieren würde. Trotzdem wäre die Last für einen Athleten dort beträchtlich leichter zu heben.
Der Grund: Die Masse der Hantel bleibt zwar gleich, nicht aber ihr Gewicht. Denn dieses ist definiert als die Kraft, mit der die Masse der Hantel zum Erdboden gezogen wird. Auf der Erde entspricht diese Kraft der Erdbeschleunigung von 9,81 Meter pro Sekunde-Quadrat (m/s²). Die olympische Hantel hätte demnach auf der Erde eine Gewichtskraft von 2.589 Newton. Auf dem Mond dagegen „wiegt“ sie nur 428 Newton.
Suche nach einer neuen Referenz
Im Gegensatz zu anderen Basisgrößen wie der Länge oder der Zeit hinkt die Masse in Bezug auf ihre Definition noch hinterher. Denn sie einzige Basiseinheit, die noch nicht über eine fundamentale Konstante der Physik bestimmt wird. Stattdessen dient ein eigroßer Zylinder aus einer Platin-Iridium-Legierung als Referenz, aufbewahrt in Paris. Das aber macht das Eichen von Messinstrumenten umständlich, zudem verliert selbst dieses Urkilo im Laufe der Zeit an Masse.
Physiker in aller Welt sind daher auf der Suche nach einer geeigneten neuen Referenz. Zurzeit konkurrieren allerdings noch vier Methoden darum, eines Tages das Ur-Kilogramm abzulösen. Wer von diesen Kandidaten letztlich das Rennen machen wird, entscheidet sich voraussichtlich im Jahr 2018.
Nadja Podbregar, NASA/ Chandra X-ray Center
Stand: 05.08.2016
