Direkt zum Seiteninhalt springen
Blog
Kilogramm-Prototyp aus Bergkristall mit zugehöriger Kiste und Greifzange.

, ,

Über alte und neue Gewichtsprobleme

von ,

Eine Nachricht aus der Wissenschaft schreckte zum Jahreswechsel die Welt auf: Das britische Normalkilogramm hat Übergewicht. Seine Masse hat leicht zugenommen. Tatsächlich können ganz unterschiedliche physikalische und chemische Vorgänge im Verlaufe der Jahre zur Veränderung von Eichnormalen, wie beispielsweise dem Urmeter, beitragen. Auch der bayerische Gelehrte Carl August von Steinheil (1801–1870) zerbrach sich darüber den Kopf. Anlass genug, sich sein Normalkilogramm aus der Sammlung der bayerischen Akademie der Wissenschaften etwas genauer anzuschauen.

Wer sich morgens auf eine Waage stellt, um sein Körpergewicht zu ermitteln, erhält eine Zahl und eine Einheit, das Kilogramm. Nichts leichter als das, möchte man meinen: Man nehme einen unveränderlichen Metallklotz als „Urkilogramm“ und eiche das gesamte Maßsystem daran. Doch was wäre, wenn dieser Referenzkörper sich mit der Zeit doch verändert? Welches „Gewicht“ hat man dann?

Seit der Zeit der französischen Revolution verfolgten Naturwissenschaftler das Ziel, das Gewichtsmaßsystem auf der Grundlage der Einheit Kilogramm zu vereinheitlichen. Ursprünglich sollte das Kilogramm von der Längeneinheit Meter abhängen. Physiker der Pariser Akademie der Wissenschaftenlegten es als die Masse eines Kubikdezimeters Wasser fest. Aber diese Masse wird stark von Außenbedingungen – wie der Temperatur – beeinflusst, so dass man schnell die Verknüpfung von Längen- und Masseneinheit aufgab. Statt dessen sollte ein möglichst unveränderlicher Körper das Kilogramm definieren. Metallzylinder eigneten sich dafür besonders, denn sie ließen sich präzise herstellen. 

Steinheil sah sich nicht nur selbst als als ernster, weitblickender Gelehrter, er ließ sich auch als solcher porträtieren. Bild: Deutsches Museum

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts orientierte man sich auch in verschiedenen deutschen Staaten am neuen französischen System. Im Jahr 1837 reiste der Wissenschaftler und neue Konservator der mathematisch-physikalischen Sammlung der Bayerischen Akademie der Wissenschaften Carl August von Steinheil nach Paris, um die bayerischen Landesmaße auf Grundlage der französischen Urmaße neu zu definieren. Für die Akademie, eine Vereinigung führender Gelehrter Bayerns, ließ Steinheil ein Kilogramm-Normal anfertigen (Inv.Nr. 1590). Anders als bei den französischen Vergleichsmaßen wählte er als Ausgangsmaterial kein Metall, sondern Bergkristall. Denn schon zu dieser Zeit waren verschiedene Faktoren bekannt, die das Gewicht eines Metall-Normalmaßes beeinflussen können, darunter die Oxidation an der Luft sowie der Verlust von Material bei Reinigung. Mit dem Bergkristall hoffte Steinheil, viele dieser Einflussfaktoren ausschließen zu können. Gleichzeitig wollte er sein Normalmaß kostengünstiger produzieren als dies bei den üblichen Metallkörpern möglich war. Obwohl der Bergkristall sich letztlich weder als billiger noch als stabiler erwies, setzten Steinheils Nachfolger die neu entwickelten Methoden später gewinnbringend ein. Steinheil selbst konnte mit aufwändigen vergleichenden Messungen zum Pariser Kilogramm das Gewicht seines Normalmaßes bis auf 0,05 Milligramm genau bestimmen. 

Platin-Iridium-Zylinder mit Schutzhülle: Kopie des Kilogramm-Prototypen für die USA, hier in einer Fotografie aus dem Jahr 1915. Bild: Wikimedia

Heute bildet das Kilogramm eine der physikalischen Grundeinheiten des Système International des Unités. Aus ihm leiten sich viele andere Einheiten ab, so zum Beispiel die Einheiten der Kraft und der Ladung, aber mittelbar auch der Lichtstärke. Anders als für viele andere Einheiten ist das Kilogramm nicht durch ein unveränderliches Naturgesetz festgelegt. Grundlage seiner Definition ist bis heute ein Zylinder aus Platin und Iridium, der international kilogram prototype, der im internationalen Büro für Maße und Gewichte BIPM aufbewahrt wird. Bis in die jüngste Vergangenheit wurden immer wieder Kopien hergestellt, damit überall auf der Welt Waagen direkt und indirekt am Pariser Prototyp geeicht werden können, ohne dass dieser sich zu schnell abnutzt.

Bei den 2012 gemessenen Abweichungen des britischen Normalkilogramms geht man von einer Gewichtszunahme durch Ablagerungen und Kontamination mit in der Luft enthaltenen Elementen aus. Da seit der Zeit Steinheils und anderer Wissenschaftler noch heute vergleichbare Probleme mit der Stabilität der Normalgewichte bestehen, soll in den kommenden Jahren eine neue und präzisere Definition der Einheit Kilogramm auf Grundlage einer Naturkonstanten, und damit unabhängig von einem materiellen Träger, eingeführt werden. Wenn alles klappt, sollten zukünftig dann auch die „physikalischen Gewichtsprobleme“ geringer ausfallen. 

Wenn Sie also den Verdacht haben, dass mit Ihrem Gewicht etwas nicht stimmt, könnte es an der Waage liegen. Denn auch für Eichnormale ist es schwierig, ihr Gewicht zu halten.

Heute bildet das Kilogramm eine der physikalischen Grundeinheiten des Système International des Unités. Aus ihm leiten sich viele andere Einheiten ab, so zum Beispiel die Einheiten der Kraft und der Ladung, aber mittelbar auch der Lichtstärke. Anders als für viele andere Einheiten ist das Kilogramm nicht durch ein unveränderliches Naturgesetz festgelegt. Grundlage seiner Definition ist bis heute ein Zylinder aus Platin und Iridium, der international kilogram prototype, der im internationalen Büro für Maße und Gewichte BIPM aufbewahrt wird. Bis in die jüngste Vergangenheit wurden immer wieder Kopien hergestellt, damit überall auf der Welt Waagen direkt und indirekt am Pariser Prototyp geeicht werden können, ohne dass dieser sich zu schnell abnutzt.
Bei den 2012 gemessenen Abweichungen des britischen Normalkilogramms geht man von einer Gewichtszunahme durch Ablagerungen und Kontamination mit in der Luft enthaltenen Elementen aus. Da seit der Zeit Steinheils und anderer Wissenschaftler noch heute vergleichbare Probleme mit der Stabilität der Normalgewichte bestehen, soll in den kommenden Jahren eine neue und präzisere Definition der Einheit Kilogramm auf Grundlage einer Naturkonstanten, und damit unabhängig von einem materiellen Träger, eingeführt werden. Wenn alles klappt, sollten zukünftig dann auch die „physikalischen Gewichtsprobleme“ geringer ausfallen. 
Wenn Sie also den Verdacht haben, dass mit Ihrem Gewicht etwas nicht stimmt, könnte es an der Waage liegen. Denn auch für Eichnormale ist es schwierig, ihr Gewicht zu halten.

Weiterführendes:

  • Das Normalkilogramm von Steinheil (Inv.Nr. 1590) ist in der Abteilung „Maß und Gewicht“ ausgestellt.
  • Webseite des Bureau International des Poids et Mesures: www.bipm.org

Autor/in

Johannes-Geert Hagmann

ist Kurator für Physik, Geophysik und Geodäsie. Als Referent für Museumkooperationen koordiniert der promovierte Physiker die nationale und internationale Vernetzung des Deutschen Museums mit anderen Einrichtungen. Zur Zeit arbeitet er unter anderem an einem neuen Konzept für die Physik-Ausstellungen und leitet ein DFG-Projekt zur Digitalisierung der Gründungssammlung des Deutschen Museums. Sein Tipp für einen Besuch im Deutschen Museum: Das erste Objekt (Inv.Nr. 1) in den Sammlungen des Deutschen Museums in der Abteilung Museumsgeschichte entdecken! 

Benjamin Mirwald

Benjamin Mirwald ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Deutschen Museum und erforscht die Objekte der mathematisch-physikalischen Sammlung der Bayerischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen eines im Januar 2013 gestarteten DFG-Projekts.