Der Stuttgarter Physik-Nobelpreisträger Klaus von Klitzing hält die Reform des internationalen Einheitensystems für eine historische Entscheidung.
Stuttgart - In der kommenden Woche beginnt in Versailles die 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht. Dort wird auch die Entscheidung zur Neudefinition des Kilogramms fallen. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Erkenntnisse des Stuttgarter Physik-Nobelpreisträgers Klaus von Klitzing. Im Interview erklärt er, wie man als Forscher Dinge finden kann, nach denen man gar nicht gesucht hat.
Herr von Klitzing, demnächst werden Sie in Versailles über Ihre Nobelpreisentdeckung und die Neudefinition des Kilogramms sprechen. Ist das alte Kilo nicht mehr gut genug?
Das Ur-Kilogramm ist ein Metallklotz in Paris. Es diente als Vorlage für die Kopien, die überall auf der Welt verteilt sind. Doch der Prototyp aus dem Jahr 1889 ist nicht stabil. Vergleicht man ihn mit den Kopien, stellt man fest, dass die Unterschiede im Lauf der Jahre immer größer wurden. Deshalb wuchs der Druck, eine bessere Lösung zur Definition des Kilogramms zu finden.
Warum wird das Ur-Kilo im Vergleich zu den Kopien immer leichter?
Eine mögliche Erklärung könnte die unterschiedliche Zusammensetzung der Metallschmelzen sein, die für den Prototypen in Paris und die Kopien in anderen Ländern verwendet wurden. Es könnte sein, dass aus dem Schmelzkörper des Ur-Kilogramms etwas mehr Gas austritt als aus den Kopien.
Konnten Sie das Ur-Kilo auch schon selbst in Augenschein nehmen.
Natürlich. Ich wollte es sogar schon mal klauen. Das war damals nur ein Scherz, aber es gibt tatsächlich ein Foto davon.
Und wie sieht die geplante Neudefinition des Kilogramms aus?
Nächste Woche soll der Beschluss gefasst werden, das Kilogramm über eine Naturkonstante festzulegen, nämlich die Planck-Konstante. Diese wird dafür einen unveränderlichen Wert bekommen und es gibt verschiedene Möglichkeiten, auf dieser Basis ein stabiles Kilogramm zu schaffen. Die eine Methode ist, Atome zu zählen, deren Gewicht bekannt ist. Eine andere Möglichkeit ist ein elektrisches Kilogramm. Dabei wird mit einer sogenannten Watt- oder Kibble-Waage gemessen, welche elektrische Leistung nötig ist, um ein Gewicht von einem Kilo in der Waagrechten zu halten.
Das mit dem Atome zählen ist für Nichtphysiker leichter nachvollziehbar.
Mag sein, aber da gibt es ein weitverbreitetes Missverständnis. Im sogenannten Avogadro-Projekt wird eben nicht die Masse einer bestimmten Atomart festgelegt, um dann durch das Zählen von Atomen zum Kilogramm zu kommen. Auch hier bildet am Ende die Planck-Konstante, die in die Berechnung atomarer Massen einfließt, die Basis für das neue Kilogramm.
Und wie funktioniert die Watt-Waage?
Im Wesentlichen besteht das elektrische Kilogramm aus einer stromdurchflossenen Spule in einem Magnetfeld. Ganz ähnlich wie bei einem Elektromotor erzeugt man dadurch eine Kraft, die dann mit dem Gewicht einer Masse verglichen wird. Der Clou ist, dass elektrische Größen wie Spannung, Widerstand oder Stromstärke heute sehr genau mit Quanteneinheiten geeicht werden können. Dabei kommt auch der von mir entdeckte Quanten-Hall-Effekt ins Spiel, für den ich 1985 den Nobelpreis bekommen habe.
Welcher Ansatz wird das Rennen machen?
Von einem Rennen würde ich nicht sprechen. Zum ersten Juli vergangenen Jahres mussten die einzelnen Arbeitsgruppen ihre Werte für die Planck-Konstante vorlegen, die sie mit dem Kilo aus Paris als Referenz ermittelt hatten. Dabei zeigte sich, dass sowohl der Avogadro-Ansatz als auch die Watt-Waage eine sehr genaue Bestimmung der Planck-Konstante erlauben. Auf dieser Basis kann man künftig an jedem Ort mit dem entsprechenden Laboraufbau ein Kilo darstellen. Niemand muss mehr nach Paris fahren, um sein Kilo zu eichen.
Welchen Vorteil haben Messgrößen, die sich auf Naturkonstanten beziehen?
Nach unserer heutigen Erkenntnis sind Naturkonstanten absolut stabil und überall im Universum identisch. Deshalb soll nächste Woche die historische Entscheidung fallen, alle Maßeinheiten auf solche unveränderlichen Größen zu beziehen. Neben der Planck-Konstante wird auch der Wert der Elementarladung festgelegt. Da sich aus diesen beiden Naturkonstanten die Klitzing-Konstante ableitet, erhält diese ebenfalls einen unveränderbaren Wert. Beschlossen wird das kommende Woche in Versailles. Dort halte ich den Eröffnungsvortrag, der weltweit gesendet wird. Das ist ein Highlight in meinem Leben.
Sie meinen: das zweite Highlight seit dem Nobelpreis.
Ja, natürlich. Der Nobelpreis war die Grundlage für die größte Revolution in der Messtechnik seit der Französischen Revolution, als das Ur-Meter und das Ur-Kilogramm eingeführt wurden. Es ist schon einmalig, bei einem solchen historischen Ereignis dabei zu sein. Bei der Konferenz sind vor allem politische Repräsentanten aus aller Welt anwesend, die die Beschlüsse umsetzen müssen. Die wissenschaftliche Vorarbeit ist geleistet, die Verantwortlichen kennen die Vorlage und keiner hat Einspruch erhoben. Man kann also davon ausgehen, dass die Empfehlung für das neue System angenommen wird.
Ihre Arbeit zeigt, wie aus Grundlagenforschung plötzlich angewandte Forschung werden kann.
Als ich meine Entdeckung gemacht habe, konnte ich nicht ahnen, dass sie einmal so einen Einfluss auf die Einheiten haben würde. Ich habe an Transistoren für Siemens gearbeitet, um diese besser, kleiner und schneller zu machen. Dabei bin ich auf den Quanten-Hall-Effekt gestoßen.
Was ist nach der Neudefinition des Kilogramms Ihr nächstes großes Projekt?
In der Grundlagenforschung gibt es noch viel zu tun. Wir versuchen zum Beispiel, den Quanten-Hall-Effekt mikroskopisch zu verstehen. Wir wollen den Elektronen quasi bei der Arbeit zusehen. Es gibt eigentlich mehr Fragen als Antworten, wenn man tiefer in ein Forschungsgebiet eindringt. Wir untersuchen auch neue Phänomene in der Materialforschung. Ein weiteres großes Thema sind Quantencomputer. Obwohl ich diesen Begriff eigentlich nicht mag, weil er zu hohe Erwartungen weckt. In absehbarer Zeit werden Sie so einen Computer nicht kaufen können.
Wichtige Fachbegriffe aus der Physik
Planck-Konstante Sie wurde nach dem Physiker Max Planck benannt. Ihr Wert ergibt sich, wenn man die Energie eines Lichtteilchens (Photon) durch seine Frequenz teilt, also durch die Anzahl der Schwingungen pro Zeiteinheit. Hintergrund ist die Erkenntnis der Quantenphysiker, dass sich Elektronen, Photonen und andere Objekte sowohl als Teilchen als auch als Welle beschreiben lassen.
Elementarladung Die Elementarladung ist die kleinste in der Natur vorkommende Ladungseinheit. Sie entspricht der Ladung eines Elektrons.
Von-Klitzing-Konstante Ihr Wert ergibt sich, indem man die Planck-Konstante durch das Quadrat der Elementarladung teilt. Sie dient unter anderem als Referenzwert für die Messung elektrischer Widerstände. Bisher wurde ein Arbeitswert von 25 812,807 Ohm angenommen. Durch die Reform des Einheitensystems wird die Zahl der Nachkommastellen deutlich steigen und der Wert wird sich in Zukunft nicht mehr ändern.
Quanten-Hall-Effekt Er beschreibt die Ablenkung von Elektronen in einem starken Magnetfeld bei sehr tiefen Temperaturen. Unter diesen Bedingungen wächst eine Spannung, die quer zu einem Elektronenstrom auftritt, nicht kontinuierlich mit der Stärke des Magnetfelds, sondern in Stufen. Somit ändert sich auch der Widerstand in Stufen.