SI-Neudefinition 2019: das Kilogramm wird zur Naturkonstante

Am 20. Mai 2019 änderte sich die Welt der Metrologie grundlegend. Mit dem Inkrafttreten der SI-Reform wurde das Internationale Prototyp-Kilogramm in Sèvres seiner Rolle als Welt-Norm enthoben. Stattdessen wird das Kilogramm seitdem über die Planck-Konstante definiert, eine Naturkonstante der Quantenmechanik. Damit ist erstmals seit 1799 das Maß-System nicht mehr an ein physisches Artefakt gebunden.

Das Problem mit dem Urkilogramm

Das Internationale Prototyp-Kilogramm (IPK, liebevoll Le Grand K genannt) wurde 1889 in Paris hergestellt: ein Zylinder aus Platin-Iridium-Legierung, 39 mm hoch und 39 mm Durchmesser, 1 Kilogramm Masse per Definition. Es lag bis 2019 unter mehreren Glasglocken in einem Tresor des BIPM in Sèvres bei Paris, geschützt durch drei verschiedene Schlüssel.

Seit 1889 wurden periodische Vergleichsmessungen mit den sechs offiziellen Kopien (Témoins) und etwa 40 nationalen Replikaten durchgeführt. Die ersten drei Vergleiche (1889, 1948, 1989) deuteten auf eine schleichende Massenänderung des IPK gegenüber den Témoins hin. Bis 2019 war eine Drift von rund 50 Mikrogramm aufgelaufen. Pro Jahr knapp 0,4 Mikrogramm.

Die Ursachen blieben strittig. Diskutiert wurden:

• Oberflächeneffekte: Adsorption von Luftbestandteilen, Kohlenstoff-Verunreinigungen oder Quecksilber-Spuren.
• Reinigungs-Routinen: das IPK wurde alle paar Jahrzehnte gereinigt, jede Reinigung verändert leicht die Oberflächenschicht.
• Materialveränderungen: Diffusion zwischen Platin und Iridium oder mikrokristalline Veränderungen.

Welche dieser Hypothesen am Ende stimmt, war nicht mehr klärbar. Wichtig: wenn 1 Kilogramm per Definition die Masse des IPK ist, dann wog 1 Kilogramm 1889 etwas anderes als 2019. Das ist für die meisten Anwendungen unkritisch, aber für Präzisions-Bereiche wie Pharma, Halbleiter-Industrie und Grundlagenforschung problematisch.

Die sieben SI-Basisgrößen

Das SI-System kennt sieben Basisgrößen, aus denen sich alle weiteren physikalischen Einheiten ableiten:

Basisgröße	Symbol	Einheit	Vor 2019 definiert über
Zeit	t	Sekunde (s)	Cäsium-133-Frequenz
Länge	l	Meter (m)	Lichtgeschwindigkeit
Masse	m	Kilogramm (kg)	Urkilogramm Sèvres
Stromstärke	I	Ampere (A)	mechanische Kraft pro Länge
Temperatur	T	Kelvin (K)	Tripelpunkt Wasser
Stoffmenge	n	Mol (mol)	Kohlenstoff-12 (12 g)
Lichtstärke	I_v	Candela (cd)	monochromatische Strahlung

Bis 2019 waren nur Sekunde und Meter rein definitorisch über Naturkonstanten festgelegt (Cäsium-Frequenz seit 1967, Lichtgeschwindigkeit für den Meter seit 1983). Die anderen fünf Basisgrößen waren auf physische Artefakte oder messbare Effekte angewiesen.

Die SI-Reform vom 20. Mai 2019

Auf der 26. CGPM in Versailles im November 2018 beschlossen die 60 Mitgliedstaaten die SI-Reform. Inkrafttreten am 20. Mai 2019, dem Weltmetrologietag. Vier der sieben Basisgrößen wurden neu definiert, alle über Naturkonstanten:

• Kilogramm: Planck-Konstante h = 6,62607015 × 10⁻³⁴ J·s, exakt.
• Ampere: Elementarladung e = 1,602176634 × 10⁻¹⁹ C, exakt.
• Kelvin: Boltzmann-Konstante k_B = 1,380649 × 10⁻²³ J/K, exakt.
• Mol: Avogadro-Konstante N_A = 6,02214076 × 10²³ mol⁻¹, exakt.

Diese vier Konstanten erhielten per Definition feste Werte, die exakt und ohne Mess-Unsicherheit sind. Aus ihnen werden die Basisgrößen abgeleitet. Sekunde, Meter und Candela behielten ihre vorherigen Definitionen, ihre zugrundeliegenden Konstanten (Cäsium-Frequenz, Lichtgeschwindigkeit, Lichtausbeute K_cd) bekamen nun ebenfalls exakte Werte.

Wie die Planck-Konstante das Kilogramm definiert

Die Planck-Konstante h hat die Einheit Joule-Sekunde, also kg·m²·s⁻¹. Mit zwei festen Konstanten (Lichtgeschwindigkeit c für die Meter-Definition, Cäsium-Frequenz Δν_Cs für die Sekunden-Definition) lässt sich das Kilogramm rein aus h, c und Δν_Cs ableiten:

1 kg = (h / (6,62607015 × 10⁻³⁴)) · m⁻² · s

Das klingt abstrakt, hat aber praktische Bedeutung: jedes Metrologie-Institut, das eine Kibble-Waage oder ein vergleichbares Gerät betreibt, kann das Kilogramm direkt aus elektrischen und mechanischen Messungen reproduzieren. Kein Vergleich mit Sèvres mehr nötig.

Die Kibble-Waage als Realisierung

Die Kibble-Waage (früher Watt-Waage genannt) wurde 1975 vom britischen Physiker Bryan Kibble entwickelt. Sie misst die Masse über eine Balance zwischen Gravitationskraft (mg, mit g als Erdbeschleunigung) und elektromagnetischer Kraft (BIL, mit B als Magnetfeld, I als Strom, L als Spulen-Länge).

Die Messung läuft in zwei Phasen:

• Wäge-Modus: die Masse hängt an einer Spule im Magnetfeld. Ein Strom durch die Spule erzeugt eine Kraft, die genau die Gravitationskraft ausgleicht. Aus mg = BIL ergibt sich m = BIL/g.
• Geschwindigkeits-Modus: die Spule wird mit konstanter Geschwindigkeit durch das Magnetfeld bewegt. Die induzierte Spannung U = BLv (mit v als Geschwindigkeit) wird gemessen. Daraus lässt sich BL bestimmen.

Kombiniert man beide Phasen, fällt BL als Unbekannte heraus. Übrig bleibt die Masse als Funktion von U, I, v und g. U und I werden über Quanten-Effekte (Josephson-Effekt für Spannung, Quanten-Hall-Effekt für Widerstand) auf die Planck-Konstante zurückgeführt. Die erreichte Messunsicherheit moderner Kibble-Waagen liegt bei rund 10⁻⁸, also etwa 10 Mikrogramm pro Kilogramm.

Drei Metrologie-Institute betreiben Kibble-Waagen auf höchstem Niveau: das BIPM in Sèvres, NIST in den USA und NRC in Kanada. Die PTB in Braunschweig hat seit 2020 ebenfalls eine eigene Kibble-Waage in Betrieb, ergänzt durch das alternative Verfahren der Avogadro-Kugel.

Die Avogadro-Kugel als alternatives Verfahren

Neben der Kibble-Waage gibt es ein zweites Verfahren zur Kilogramm-Realisierung: die Avogadro-Methode. Hier wird eine fast perfekt runde Kugel aus hochreinem Silizium-28 hergestellt, ihre Masse und ihr Volumen genau vermessen. Aus dem Volumen und dem bekannten Atomgewicht von Si-28 lässt sich die Anzahl der Atome berechnen und damit die Masse pro Atom. Mit der festen Avogadro-Konstante ergibt sich daraus das Kilogramm.

Die PTB in Braunschweig hat seit 2003 zusammen mit dem Internationalen Avogadro-Konsortium an dieser Methode gearbeitet. Die hochreine Silizium-Kugel hat einen Durchmesser von etwa 93,7 mm und besteht zu 99,99 Prozent aus dem Isotop Si-28. Die Mass-Bestimmung erreicht eine Unsicherheit von rund 2 × 10⁻⁸, vergleichbar mit der Kibble-Waage.

Beide Verfahren ergeben innerhalb der Mess-Unsicherheiten denselben Wert für das Kilogramm. Das war eine der Voraussetzungen für die Reform: zwei unabhängige experimentelle Methoden mussten übereinstimmen, bevor das physische Urkilogramm aufgegeben werden konnte.

Die Geschichte der Naturkonstanten-Definition

Der Übergang vom Artefakt zur Naturkonstante hatte Vorbilder. Der Meter war bereits 1960 von einem physischen Stab zu einer Wellenlänge (Krypton-86) gewechselt, 1983 dann zur Lichtgeschwindigkeit. Die Sekunde wurde 1967 von der Erdumdrehung zur Cäsium-Frequenz umgestellt.

Das Kilogramm folgte als letztes der traditionellen Artefakt-basierten Einheiten. Die technische Reife war erst Anfang der 2010er Jahre erreicht, als Kibble-Waagen und Avogadro-Kugeln die nötige Präzision lieferten. 2014 stimmten die Werte aus beiden Verfahren erstmals innerhalb der Unsicherheit überein, 2017 wurde die Reform formell vorgeschlagen, 2018 von der CGPM beschlossen.

Was sich praktisch geändert hat

Für den Alltag hat sich nichts geändert. Ein Kilogramm Mehl wiegt vor und nach der Reform genauso viel. Die Werte der Naturkonstanten wurden so gewählt, dass die alte und neue Definition zum Stichtag nahtlos zusammenpassten. Verbraucher, Handel und Industrie spürten den Übergang nicht.

Für die Wissenschaft hat sich aber strukturell viel geändert:

• Reproduzierbarkeit: jedes gut ausgestattete Labor kann das Kilogramm selbst realisieren, ohne Vergleich mit Sèvres.
• Skalierbarkeit: die Definition gilt von Femtogramm bis Megatonne ohne Sprung in der Methodik.
• Zukunftssicherheit: Naturkonstanten ändern sich nicht, im Gegensatz zu Artefakten.

Die PTB schätzt, dass die Reform die Messunsicherheit im präzisen Mass-Bereich (unter 100 Milligramm) um den Faktor 10 verbessern wird, sobald die Realisierungs-Methoden ausgereift sind. Im Standard-Wäge-Bereich (Gramm bis Kilogramm) bleibt die Unsicherheit ähnlich wie vorher, weil das alte Vergleichs-System bereits sehr gut war.

Das IPK heute

Das Internationale Prototyp-Kilogramm liegt weiterhin im BIPM in Sèvres, ist aber nicht mehr Welt-Norm, sondern wissenschaftliches Artefakt. Es wird gelegentlich für historische Vergleichsmessungen herangezogen. Die nationalen Kopien (auch das deutsche K 70 in der PTB) werden weiterhin gepflegt, dienen aber nicht mehr als primäre Realisierung, sondern als sekundäre Standards für Routinekalibrierungen.

Manche Wissenschaftler bedauerten den symbolischen Verlust. Das IPK war 130 Jahre lang das Symbol für die Welt-Einheit, ein konkretes Objekt, das jeder benennen konnte. Die Planck-Konstante ist abstrakt und für Laien schwer zu fassen. Aber die meisten Metrologen begrüßten den Schritt: das Risiko, dass Le Grand K bei einem Erdbeben, Feuer oder politischen Konflikt verloren gehen könnte, war über die Jahrzehnte zu einem Sorgenfaktor geworden.

Ähnliche Reformen für die Zukunft

Mit der Reform 2019 ist das SI-System im Grunde abgeschlossen. Alle sieben Basisgrößen sind über Naturkonstanten definiert. Weitere strukturelle Reformen sind nicht absehbar.

Diskutiert werden aber Verfeinerungen einzelner Konstanten. Die Cäsium-Frequenz für die Sekunde könnte langfristig durch optische Atomuhren ersetzt werden, die etwa 100-mal präziser sind. NIST und PTB betreiben experimentell solche Atomuhren mit Strontium oder Ytterbium. Eine formelle Neufestlegung würde aber frühestens in den 2030er Jahren beschlossen.

Die Planck-Konstante als Grundlage des Kilogramms gilt als langzeitstabil. Sie ist eine fundamentale Naturkonstante der Quantenmechanik und nach allem, was wir wissen, über Milliarden Jahre konstant. Eine Änderung ihrer Definition ist nicht zu erwarten.

Was die Naturkonstanten-Definition praktisch ändert

Die SI-Reform 2019 vollendet einen Übergang, der 1799 mit dem Mètre des Archives begann: weg vom Artefakt, hin zur abstrakten Definition über Naturgesetze. Das macht das Maß-System universal und unabhängig von einer einzelnen Institution oder einem Aufbewahrungsort. Wer mit präzisen Massen arbeitet, kann das Kilogramm überall auf der Erde direkt aus elektrischen Messungen reproduzieren.

Für den Alltag bleibt alles, wie es war. Ein Kilogramm Mehl wiegt wie vor der Reform, ein Liter Wasser ist immer noch ein Liter. Mein Umrechner nutzt die neuen Definitionen automatisch, weil die Werte der abgeleiteten Einheiten unverändert sind. Wer aber wissen will, was hinter den Zahlen steht, findet hier das Fundament: sieben Naturkonstanten, zwei Realisierungsverfahren (Kibble und Avogadro), ein Maß-System, das die ganze Welt teilt.

Wenn dir ein Fehler auffällt oder eine Quelle veraltet ist, schreib an info@akara-solutions.de, bestätigte Korrekturen dokumentieren wir auf /korrekturen/.