Bis zum Ende des 18. Jahrhunderts war der menschliche Körper das Maß aller Dinge: Elle, Fuß und Handbreit waren gängige – und uneinheitliche – Maße. Im Zuge der Französischen Revolution machten sich Wissenschaftler daran, ein allgemeingültiges Längenmaß zu einzuführen: den (oder das) Meter, definiert als der zehnmillionste Teil eines Erdmeridianquadranten, also der Strecke vom Nordpol zum Äquator.

Um diesen Quadranten zu berechnen, vermaßen die Astronomen Pierre Méchain und Jean-Baptiste Delambre eine Strecke zwischen Dünkirchen und Barcelona. Dabei bedienten sie sich des Verfahrens der Triangulation, mit dem sich durch Winkelmessungen auch große Distanzen messen lassen. Am Ende dieses aufwendigen Prozesses stand ein gegossener Metallstab: das sogenannte Urmeter.

Heute ist dieses Objekt nicht mehr maßgeblich. Seit 1983 ist die Lichtgeschwindigkeit die Basisgröße für die Definition des Meters. Ein Meter ist die Strecke, die das Licht in einer 299.792.458-stel Sekunde zurücklegt. Festgelegt ist diese Definition im Internationalen Einheitensystem (SI).

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Heute sagen wir: Die Sekunde und auch jede andere Zeiteinheit, ist der Beweis dafür, dass Zeit vergeht und voranschreitet. Mit jeder vergangenen Sekunde bewegen wir uns auf einem Zeitstrahl in eine Richtung – nach vorn. Doch der eigentliche Ursprung unserer Zeiteinheiten ist kein Strahl, sondern ein Kreis. Die größte Einheit, die unsere Zeit beschreibt, ist ein Jahr. Schon im alten Ägypten hat man das beobachtet.

Dann entwickelte sich die Einteilung in 12 Monate und schließlich die Tage. Die Babylonier teilten den Tag dann in Stunden und Minuten ein. 12 Stunden pro Tag. Warum? Sie zählten zuerst nur die Stunden, an denen es hell ist. Die Dunkelheit war für das damalige Leben noch irrelevant. Irgendwann bekam auch die Nacht 12 Stunden. Aber diese Stunden waren nie gleich lang – die Länge der Tage variiert ja im Verlauf des Jahres.

Im späten Mittelalter löste man sich immer mehr vom Stand der Sonne. Die Menschen wollten unabhängiger sein und hatten den Wunsch nach Präzision: Der Tag hatte dann also 24 gleiche lange Stunden, die jeweils in 60 Minuten eingeteilt waren. Doch die Sekunden damals waren noch immer nicht messbar und daher nicht definiert.

Der Mathematiker Carl Friedrich Gauß wagte um 1820 eine Definition: Er nannte die Sekunde den “86.400sten Teil eines mittleren Tages, also der Drehung der Erde um sich selbst.” 60 Sekunden pro Minute, 60 Minuten pro Stunde und 24 Stunden pro Tag. Irgendwann orientierte man sich an der Bahnbewegung der Erde. So entstand die Ephemeriden-Sekunde.

Doch auch damit waren nicht alle zufrieden. Es brauchte eine Neu-Definition, die jeder auf der Welt ohne komplizierte Berechnungen messen kann. Das geht am besten mithilfe einer Naturkonstante: Ein Wert, der auf der Erde unveränderlich ist. Das gelang erst 1967 mithilfe der Atomuhr. Dank ihr können wir nun sagen: Eine Sekunde ist so lange, bis 9 192 631 770 Perioden der Schwingung vergangen sind, die die Cäsiumatome in der Atomuhr anregen.

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Das Kilogramm begegnet uns als Gewichtseinheit quasi überall im Alltag. Und so gängig und einfach es für uns zu gebrauchen ist, so wichtig ist es auch. Das Kilogramm zählt zu den sogenannten SI-Einheiten des metrischen Systems und wird in fast allen Ländern als Einheit für das Gewicht hergenommen. Doch nur wenige wissen, dass das Kilogramm erst seit kurzem so definiert ist, dass wirklich jeder auf der Welt ein Kilogramm “nachbauen” kann. Denn zuvor war die weltweite Definition eines Kilogramms von einem alten Artefakt, dem Urkilogramm, abhängig.

Was heute wie ein Relikt aus längt vergangener Zeit klingt, war Ende des 19. Jahrhunderts eine bahnbrechende Revolution, denn erstmals gab es einen international anerkannten und klar definierten Wert für das Gewicht. Kaum zu glauben, dass Gewicht zuvor noch von Regenten der einzelnen Nationen immer wieder anders definiert wurde und ein grenzüberschreitender Handel kompliziert bis unmöglich war.

Anmerkung: In unserem Beitrag finden sich leider zwei kleine Ungenauigkeiten. Dafür entschuldigen wir uns! Das ursprüngliche “Gran” wog tatsächlich 65 Milligramm, wie die Einblendung richtig zeigt. Außerdem konnte das Urkilogramm vor der Revolution der Einheit nicht “ungenau” sein: Es war ja per Definition ein Kilogramm schwer. Das klingt erstmal verwirrend, aber offiziell war das Urkilogramm immer 1,0 kg, bis eine neue Definition durch die Planck-Konstante bestimmt wurde.

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Die ersten Tüftler machten sich den Umstand zunutze, dass sich Wasser und Luft bei steigenden Temperaturen ausdehnen. Erst Ende des 16. Jahrhunderts jedoch gelang es einem berühmten Erfinder, das erste „Thermoskop“ zu bauen: Galileo Galilei. Den frühen Messgeräten fehlte allerdings noch eine einheitliche Skala.

Im 18. Jahrhundert entwickelten dann jedoch zwei Wissenschaftler fast gleichzeitig eine solche Skala: Der Deutsche Daniel Fahrenheit und der Schwede Anders Celsius. Ihre jeweiligen Skalen sind noch heute in Gebrauch. Anders Celsius definierte seine Skala mithilfe des Gefrier- und Siedepunkts von Wasser. Das waren zunächst gut geeignete Fixpunkte, weil sie einfach nachzustellen sind.

Im Laufe der Jahrzehnte hat sich jedoch gezeigt, dass der Gefrier- und Siedepunkt je nach Umgebung ziemlich stark variieren können. Deswegen legte die Generalkonferenz für Maß und Gewicht 1954 den Tripelpunkt von Wasser als Definitionsgrundlage fest. Das ist der Punkt, in dem Wasser im festen, flüssigen und gasförmigen Zustand gleichzeitig existiert. Man erreicht ihn in einem Vakuum bei einer ganz bestimmten – immer gleichen – Temperatur.

Wie bei allen anderen SI-Einheiten, den international anerkannten Basiseinheiten, war es aber auch für die Temperatur das Ziel, eine Definition über eine Naturkonstante zu finden – also einen Wert, der immer und überall gleich ist. Erst 2017 gelang es Forschenden an der physikalisch-technischen Bundesanstalt in Berlin, die sogenannte Boltzmann-Konstante exakt genug zu messen, damit sie für diese Definition herhalten kann. Die Boltzmann-Konstante ist ein fester Wert, über den der Zusammenhang zwischen thermischer Energie – also Temperatur – und der Bewegungsenergie einzelner Teilchen beschrieben werden kann.

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Das Universum expandiert beschleunigt. So weit, so gut. Aber – wie schnell ist diese Beschleunigung, die sogenannte “Hubble-Konstante” eigentlich wirklich? Die Antwort bereitet der Kosmologie Kopfzerbrechen, denn die Messwerte aus Astronomie und Modellrechnung stimmen einfach nicht überein. Die Krise der Kosmologie! Gibt es Auswege? Naja… vielleicht…

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