Physikalisch-Technische BundesanstaltNationales Metrologieinstitut

Das neue Internationale Einheitensystem (SI)

Anhang Einheiten und bdquoihreldquo Konstanten

Sieben Naturkonstanten erhalten im neuen SI festgelegte Werte die Zahlenwerte entstammen den Ausgleichsrechnungen von CODATA im Sommer 2017 (CODATA 2017 special adjustment)

bull Frequenz des Hyperfeinstrukturuumlbergangs des Grundzustands im 133Cs-AtomΔν = 9 192 631 770 sndash1

bull Lichtgeschwindigkeit im Vakuumc = 299 792 458 m sndash1

bull Planck-Konstanteh = 6626 070 15 ∙ 10ndash34 J s (J s = kg m2 sndash1)

bull Elementarladunge = 1602 176 634 ∙ 10ndash19 C (C = A s)

bull Boltzmann-Konstantek = 1380 649 ∙ 10ndash23 J Kndash1 (J Kndash1 = kg m2 sndash2 Kndash1)

bull Avogadro-KonstanteNA = 6022 140 76 ∙ 1023 molndash1

bull Das Photometrische Strahlungsaumlquivalent Kcd einer monochromatischen Strahlung der Frequenz 540 1012 Hz ist genau gleich 683 Lumen durch Watt

Δν

Sekunde

Δν c

Die Idee

Die Sekunde und der Meter haben schon seit Langem einen Zustand erreicht den die anderen Einheiten noch anpeilen Sie beziehen sich auf unveraumlnderliche Eigenschaften der phy-sikalischen Welt So beruht die Sekunde auf einer definierten Zahl von Schwingungen in der Elektronenhuumllle des Caumlsium-atoms und der Meter macht sich zunutze dass die konstante Geschwindigkeit des Lichts ein fundamentales Merkmal der Natur ist Der entscheidende Vorteil Naturkonstanten als De-finitionsgrundlage zu nehmen liegt darin begruumlndet dass sie so sind wie sie heiszligen ndash sie sind konstant Ist dagegen der Me-ter als Urmeter verkoumlrpert etwa in Form eines Platin-Iridium-Stabes von x-foumlrmigem Querschnitt ist Konstanz prinzipiell unerreichbar Schon jedes leichte Schwanken der Temperatur aumlndert den Meter von irgendwelchen Beschaumldigungen des Ob-jekts ganz zu schweigen Aumlnderungen in der Groumlszligenordnung von Mikrometern sind auch bei sorgfaumlltigstem Umgang fuumlr einen Urmeter an der Tagesordnung Fuumlr eine hochtechni-sierte Welt in der laumlngst der Nanometer Einzug gehalten hat sind solche Aumlnderungen freilich gigantisch und muumlssen unbe-dingt vermieden werden Die Loumlsung des Problems heiszligt Man

Das neue Internationale Einheitensystem (SI)

Das Bezugssystem in dem wir bdquodie Welt vermessenldquo liegt fest Wir teilen etwa die Zeit in Sekunden die Laumlnge in Meter und die Masse in Kilogramm Das Internationa-le Einheitensystem (SI) wird von nahezu 100 Staaten mitgetragen und ist damit eine globale Erfolgsgeschichte Jetzt erhaumllt das SI eine grundlegende Auffrischung sodass es allen wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen des 21 Jahrhunderts gelassen entgegensehen kann Naturkonstanten wie die Lichtgeschwindigkeit oder die Ladung des Elektrons werden den Einheiten die bestmoumlgliche Definitionsgrundlage liefern

Schon Max Planck brachte im Jahr 1900 als er sein Strahlungsgesetz formulierte bdquoConstantenldquo und die Idee bdquonatuumlrlicher Maaszligeinheitenldquo ins Spiel guumlltig fuumlr bdquoalle Zeiten und fuumlr alle auch ausserirdische und auszligermenschliche Culturenldquo

Foto (aufgenommen ca 1901) Archiv der Max-Planck-Gesellschaft Berlin-Dahlem

nehme kein Artefakt um die Einheit zu definieren sondern eine Naturkonstante Diesen Wandel hin zu maszliggebenden () Naturkonstanten haben die uumlbrigen Einheiten noch vor sich Aber der Fahrplan fuumlr diesen Wandel steht fest Im Herbst des Jahres 2018 wird ndash so die (sehr wahrscheinliche) Prognose ndash eine Weltkonferenz in Paris den Umbau des Einheitensystems mit Brief und Siegel verabschieden

Die Experimente

Heute hat man Einheiten und bestimmt in diesem Einheiten-system die Werte der Naturkonstanten So haben wir definiert was ein Kilogramm sein soll und messen in dieser Einheit etwa die Masse eines Protons eines Elektrons oder anderer elementarer Teilchen Dies fuumlhrt zu dem bemerkenswerten Umstand dass sich die Werte der Naturkonstanten permanent aumlndern weil sich in diesen Werten unsere Messmoumlglichkeiten widerspiegeln Es gibt sogar eine Expertengruppe naumlmlich die bdquoCODATA Task Group on Fundamental Constantsldquo in den USA deren Aufgabe es ist die in den Physiklaboratorien aus aller Welt ermittelten Werte von Naturkonstanten zu bewer-ten und unter einen Hut zu bringen Alle vier Jahre bekommt so beispielsweise die Ladung des Elektrons einen neuen Zah-lenwert ndash obwohl sich die Ladung real natuumlrlich nicht geaumln-dert hat Geaumlndert haben sich lediglich unsere Messkunst und damit unser Wissen uumlber die Welt Mit der Revision des Ein-

PTB-Infoblatt ndash Das neue Internationale Einheitensystem (SI)

Δν

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c

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logr

amm

Probleme mit dem Kilogramm

Das Kilogramm ist in einem ganz woumlrtlichen Sinne in die Jahre gekommen Es ist heute immer noch das was es schon Ende des 19 Jahrhunderts war die Masse eines ganz gewissen Me-tallzylinders in einem Tresor im Internationalen Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) in der Naumlhe von Paris Jedes Kilogramm-stuumlck auf der Welt bezieht sich auf dieses Ur-Kilogramm Und nicht nur das Viele andere Einheiten wie das Mol oder das Ampere sind von ihm abhaumlngig Hat das Kilogramm ein Pro-blem haben es die anderen Einheiten automatisch auch Die Probleme der Kilogramm-Definition stecken in der Verkoumlrpe-rung ndash denn jedes makroskopische Objekt in dieser Welt ver-aumlndert sich So auch das Ur-Kilogramm und seine nationalen Kopien die die Mitgliedsstaaten der Meterkonvention bekom-men haben Wer also heute behauptet dass niemand wuumlsste wie schwer ein Kilogramm auf das Mikrogramm genau wirk-lich ist widerspricht zwar der Definition kommt jedoch dem Kern des Problems sehr nahe Dies hat die Metrologen auf den Plan gerufen um eine Loumlsung fuumlr dieses Problem zu finden

Zwei prinzipiell unterschiedliche Experimente sind es die dem Kilogramm ein zukuumlnftig stabiles Dasein verschaffen wollen Die eine Herangehensweise kompensiert die Schwerkraft auf ein Massestuumlck durch eine elektromagnetische Kraft Hierbei werden mehrere elektrische Quanteneffekte ausgenutzt was dazu fuumlhrt dass diese Experimente die sogenannten Watt-waagen-Experimente einen Wert des Planckrsquoschen Wirkungs-quantums h liefern Wesentliche Protagonisten dieses Experi-ments arbeiten etwa in Kanada in den USA oder in England Ein dazu alternatives Experiment das von der PTB favorisiert wird fuumlhrt eine makroskopische Masse auf die Masse eines Atoms zuruumlck Der Weg des Zaumlhlens einer sehr groszligen An-zahl von Atomen gelingt dabei nur wenn sich die Atome in ei-ner hochgeordneten Struktur befinden ndash in der Struktur eines Einkristalls Dieses Avogadro-Experiment (das so heiszligt weil als direktes Messergebnis die Avogadro-Konstante auftaucht) verwendet eine Kristallkugel aus isotopenreinem Silizium das als Ausgangsmaterial in zehntausenden von Zentrifugen an-gereichert wurde Der wissenschaftliche Wettstreit zwischen beiden Experimenten muss jedoch schlussendlich auf einer ge-meinsamen Ebene landen Nur wenn die Ergebnisse aus beiden Experimenten untereinander konsistent sind ist der Weg zu einem neuen Kilogramm offen

Das Ereignis

Alle vier Jahre kommt die metrologische Welt zu einem bdquogloba-len Familientreffenldquo zusammen Die Mitgliedsstaaten und die assoziierten Staaten der Meterkonvention (eines Staatenver-trags der bis ins Jahr 1875 zuruumlckreicht) entsenden politische und wissenschaftliche Abgeordnete zur Generalkonferenz fuumlr Maszlig und Gewicht (CGPM) in Paris um die metrologischen Leitplanken fuumlr die kommenden Jahre aufzustellen Alle Aumln-derungen am Internationalen Einheitensystem muumlssen dabei nicht nur wissenschaftlich fundiert sie muumlssen auch wissen-schaftspolitisch konsensfaumlhig sein Denn die Einheiten in de-nen wir messen wollen sind ja nicht nur Elemente eines kleinen

heitensystems wird der Spieszlig nun genau umgedreht So lieszlige sich im neuen System jede beliebige Geschwindigkeit relativ zur Lichtgeschwindigkeit ausdruumlcken oder jede elektrische Ladung relativ zur Elementarladung des Elektrons In diesem Sinne werden die Einheiten im neuen System nicht mehr ge-setzt sie werden vielmehr ndash anhand der vorgegebenen Natur-konstanten ndash ausgerechnet Allerdings haumltte man natuumlrlich gerne dass beispielsweise die Standardkoumlrpertemperatur des gesunden Menschen auch im neuen System bei 37 degC liegt oder dass sich das Koumlrpergewicht nicht daran stoumlrt wie das Kilo-gramm definiert ist Aus eben diesem Grund einem nahtlosen Uumlbergang vom alten ins neue System versuchen die metrolo-gischen Laboratorien die fraglichen Naturkonstanten ein letz-tes Mal so gut es irgend geht zu messen Diese Experimente laufen in einer Art kooperativem Wettbewerb zwischen den nationalen Metrologieinstituten Und am Ende werden neben der heute schon definierten bdquoUhrenfrequenzldquo im Caumlsiumatom und neben der Lichtgeschwindigkeit unter anderem auch noch folgende Konstanten feste Werte bekommen das Planckrsquosche Wirkungsquantum h die Avogadro-Konstante NA die Boltz-mann-Konstante kB und die Elementarladung e

Δν

e

Ampe

re

NA

Mol

Wissenschaftszirkels sondern sie sind vielmehr wesentliches Werkzeug jedes Handelns und Wirtschaftens Jede Aumlnderung im und am Einheitensystem hat sofort Auswirkungen auf die bdquomessende Wirtschaftldquo in allen ihren Technologiebereichen und auf jeden Buumlrger dessen Alltag immer ein bdquovermessener Alltagldquo ist ob als Verbraucher Kunde oder Patient Daher wer-den Entscheidungen zum Einheitensystem auf einer General-konferenz nicht en passant getroffen sondern sind von langer Hand vorbereitet Dies gilt ganz besonders fuumlr die bevorste-hende Generalkonferenz im November des Jahres 2018 auf de-ren Agenda die Verabschiedung der grundlegenden Revision des SI steht Bereits auf mehreren Generalkonferenzen zuvor wurden die Voraussetzungen fuumlr und die Forderungen an ein neues SI formuliert und somit auch Zielmarken fuumlr die metro-logischen Laboratorien aufgestellt Alle Anzeichen deuten da-rauf hin dass die Metrologieinstitute die gesteckten Ziele (vor allem hinreichend kleine Unsicherheiten bei den Messungen) erreichen Offiziell in Kraft treten soll das neue SI dann ganz symboltraumlchtig am 20 Mai 2019 ndash dem Weltmetrologietag dem Jahrestag der Meterkonvention

Das neue SI in der Schule

Die Lehrerfrage bdquoWas ist ein Kilogrammldquo ist heute eine leichte Beute fuumlr jeden Schuumller der seine Nase nur ein wenig in die Buumlcher gesteckt hat Denn fuumlr die richtige Antwort folgen le-diglich die Begriffe bdquoUr-Kilogrammldquo bdquosehr altldquo und bdquoParisldquo womit fast schon alles gesagt waumlre Nach der Neudefinition wird dieselbe Lehrerfrage so ein Lehrer sie uumlberhaupt noch stellen wird houmlchstens die Finger der Physik-Cracks in die Houmlhe schnellen lassen Aus mehrheitlicher Schuumllersicht ist das natuumlrlich schade Aber das neue SI ist nun einmal deutlich abs-trakter und intellektuell anspruchsvoller als das jetzige System Zunaumlchst gilt es fuumlr jeden Schuumller die generelle Bedeutung der Naturkonstanten in Ansaumltzen nachzuvollziehen und ihr Kon-zept zu hinterfragen Was sind Naturkonstanten woher kom-men sie warum sind sie so wie sie sind Und dann muumlssen die ausgewaumlhlten Naturkonstanten im Einzelnen verstanden werden was bei der Lichtgeschwindigkeit sicher noch funktio-niert bei einer Konstante mit der Dimension einer Wirkung (h) aber moumlglicherweise schon nicht mehr Die eigentliche Ver-staumlndnishuumlrde entsteht dadurch dass die ausgewaumlhlten Kon-stanten nicht eins zu eins die Basiseinheiten abbilden Das waumlre der Fall bekaumlme jede Einheit einfach bdquoihre Konstanteldquo was allerdings voraussetzt dass diese Konstante auch die Di-mension eben dieser Einheit traumlgt Die fruumlhere Definition des Meters uumlber eine Lichtwellenlaumlnge als elementare Laumlnge war beispielsweise eine solche bdquoeinfache Zuordnungldquo Das neue SI verlangt dagegen eine groumlszligere Transferleistung So wer-den etwa alle Groumlszligen der Mechanik ndash die aus den Einheiten fuumlr Zeit Laumlnge und Masse gebildet werden ndash durch die drei Konstanten einer Frequenz einer Geschwindigkeit und einer

Wirkung repraumlsentiert Was hier im Wesentlichen geschieht ist die Darstellung der Welt in einem neuen Koordinatensys-tem Und in dem gilt es sich zurechtzufinden ndash eine Heraus-forderung nicht nur an jeden Schuumller sondern auch an die didaktischen Konzepte jedes Lehrers

Das neue SI in der Wissenschaft

Das neue Einheitensystem ist ein Meilenstein der Wissen-schaftsgeschichte und in absehbarer Zeit nach der Neudefi-nition auch der Technikgeschichte Zugleich ist es wegen sei-ner Universalitaumlt noch deutlich mehr Es ist ein Meilenstein in der Kulturgeschichte Vom Mittelalter bis weit ins 1819 Jahrhundert hinein waren die Einheiten bdquofuumlrstlich bestimmtldquo und im Wesentlichen regional Dann kamen die Revolutio-naumlre in Frankreich Ende des 18 Jahrhunderts Jetzt wurden Fuumlszlige Ellen Meilen Linien Klafter und Ruten abgeloumlst durch ein Maszlig das dem Planeten Erde abgerungen wurde ndash die Welt erlebte die Geburt des Meters und mit ihm des Kilogramms Mit der Meterkonvention (im Jahr 1875) und allen beitreten-den Staaten wurden diese Einheiten global Heute leben wir auf unserem Planeten in der Wissenschaft vollstaumlndig (und im Alltag weitgehend) mit einem einheitlichen Maszligsystem Und im Jahr 2018 erfolgt dann der Schritt uumlber unseren klei-nen Planeten hinaus Der Ruumlckgriff auf Naturkonstanten macht die Einheitendefinitionen prinzipiell universal Fuumlr die Wissenschaft ist dies allein schon aus systematischen Gruumln-den ein enormer Fortschritt Die Systematik meint den An-wendungsbereich des SI und zugleich seine innere bdquoLogikldquo So entfaumlllt im neuen SI die Unterscheidung zwischen Basis-einheiten und abgeleiteten Einheiten Vielmehr sind alle Ein-heiten dann aus Naturkonstanten bdquoabgeleitetldquo und in diesem Sinne gleichwertig

PTB-Infoblatt ndash Das neue Internationale Einheitensystem (SI)

Das neue SI in der Technik

Fuumlr die Wissenschaft tritt der Fortschritt sofort ein sobald die Neudefinitionen verabschiedet sind Fuumlr die Technik zeigen sich die Fortschritte als Langzeitwirkung Ein Clou am neuen Einheitensystem ist dass in ihm keinerlei tech-nische Barrieren mehr eingebaut sind Schwankt etwa im jetzigen System die Masse des Ur-Kilogramms in einer gewissen Groumlszligenordnung so ist die beste erreichbare Ge-nauigkeit einer Waumlgung eben dadurch begrenzt Im neuen SI dagegen gibt es keine Schwankungen mehr da die Natur-konstanten ja verbindlich festgelegte Werte bekommen So wird die Kilogramm-Definition unabhaumlngig von moumlglichen Massedriften jedweder Verkoumlrperungen sein Alle elektri-schen Einheiten inklusive des Ampere werden als Quanten-realisierungen (uumlber den Josephson- und den Quanten-Hall-Effekt oder bdquoeinfachldquo durch Zaumlhlen von Elektronen pro Zeit) Teil des Systems Und nicht zuletzt wird das Mol nun auch definitorisch uumlber eine festgelegte Anzahl von Teilchen (die Avogadro-Konstante) einer spezifizierten Substanz erfasst Daher gilt im neuen SI Kann genauer gemessen werden koumlnnen auch die Einheiten genauer realisiert werden ndash ohne Aumlnderung der zugrundeliegenden Definition In einer hoch-technischen Welt in der weder die Laumlngenteilungen beim Nanometer aufhoumlren werden noch die Zeitteilungen bei Femtosekunden ist diese technische Offenheit des neuen SI gegenuumlber allen zukuumlnftigen Genauigkeitsfortschritten ein groszliger Gewinn Und diese Offenheit gilt auf der gesamten Skala der jeweiligen Einheit da die Naturkonstanten keinen speziellen Skalenabschnitt hervorheben Dies steht durchaus im Gegensatz zur jetzigen Situation in der das Kilogramm den 1-kg-Punkt auf der Masseskala bevorzugt oder der Tri-pelpunkt des Wassers eben diesen 001-degC-Punkt auf der Temperaturskala

Das neue SI fuumlr die Oumlffentlichkeit

Die gute Nachricht fuumlr alle Buumlrger uumlber das neue SI wird sein dass niemand umdenken muss Die Messungen am Tag nach der Verabschiedung der Neudefinitionen werden nicht anders ausfallen als die Messungen am Tag zuvor Die Aumln-derungen an der Systematik des SI werden im alltaumlglichen Leben unbemerkt bleiben Die Waage im Supermarkt und die Zapfsaumlule an der Tankstelle werden auch nach den Neu-definitionen genauso arbeiten wie vorher Weder das Kleine Blutbild im medizinischen Labor noch das groszlige Koordi-natenmessgeraumlt in der Industrie werden neue Werte liefern Und auch die Stromrechnung wird sich zumindest deswe-gen nicht aumlndern Dieser luumlcken- und reibungslose Uumlber-gang stellt eine der wichtigsten Anforderungen bei der Re-vision des Einheitensystems dar Schlieszliglich geht es beim SI weniger um ein hochaumlsthetisches Theoriegebilde (auch wenn sich die Metrologen uumlber die Systematik des neuen Systems freuen) als vielmehr um ein praxistaugliches System das es gestatten soll unseren technischen Alltag in einer globa-lisierten Welt zu managen Daher lautet die wirklich gute Nachricht fuumlr alle Buumlrger uumlber das neue SI so bdquoGroszlige globa-le Einigkeit Kilogramm Kelvin und Co haben einen festen und zukunftssicheren Boden unter die Fuumlszlige bekommenldquo Und die gute Zusatznachricht fuumlr alle exportorientierten Staaten bdquoEinem regen Handel mit allen Marsianern et al steht nun nichts mehr im Wegeldquo

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Fotos und Grafiken Im neuen SI geht es abstrakter zu als im alten Jede Einheit ergibt sich in diesem System aus einer multiplikativen Verknuumlpfung von Naturkons-tanten Im Regelfall sind tatsaumlchlich mehrere Konstanten noumltig um eine Einheit darzustellen So benoumltigt beispielsweise der Meter zwei Konstan-ten oder das Kilogramm drei

Anhang Einheiten und bdquoihreldquo Konstanten

Sieben Naturkonstanten erhalten im neuen SI festgelegte Werte die Zahlenwerte entstammen den Ausgleichsrechnungen von CODATA im Sommer 2017 (CODATA 2017 special adjustment)

bull Frequenz des Hyperfeinstrukturuumlbergangs des Grundzustands im 133Cs-Atom Δν = 9 192 631 770 sndash1

bull Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c = 299 792 458 m sndash1

bull Planck-Konstante h = 6626 070 15 ∙ 10ndash34 J s (J s = kg m2 sndash1)

bull Elementarladung e = 1602 176 634 ∙ 10ndash19 C (C = A s)

bull Boltzmann-Konstante k = 1380 649 ∙ 10ndash23 J Kndash1 (J Kndash1 = kg m2 sndash2 Kndash1)

bull Avogadro-Konstante NA = 6022 140 76 ∙ 1023 molndash1

bull Das Photometrische Strahlungsaumlquivalent Kcd einer monochromatischen Strahlung der Frequenz 540 1012 Hz ist genau gleich 683 Lumen durch Watt

Sekunde (s)1 s = 9 192 631 770Δν

Meter (m)1 m = (c299 792 458) s = 30663 318hellip cΔν

Kilogramm (kg)1 kg = (h6626 070 15 ∙ 10ndash34) mndash2 s = 1475 521 ∙ 1040 h Δνc2

Ampere (A)1 A = e(1602 176 634 ∙ 10ndash19) sndash1 = 6789 686 ∙ 108 Δν e

Kelvin (K)1 K = (1380 649 ∙ 10ndash23k) kg m2 sndash2 = 2266 665 Δν hk

Mol (mol)1 mol = 6022 140 76 ∙ 1023NA

Candela (cd)1 cd = (Kcd683) kg m2 sndash3 srndash1 = 2614 830 ∙ 1010 (Δν)2 h Kcd

Physikalisch-Technische BundesanstaltBundesallee 10038116 Braunschweig

Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit

Telefon (0531) 592-3006E-Mail presseptbdewwwptbde

Stand 11 2017

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

Foto Deckblatt (Erde) NASA

Δν

Sekunde

Δν c

Die Idee

Die Sekunde und der Meter haben schon seit Langem einen Zustand erreicht den die anderen Einheiten noch anpeilen Sie beziehen sich auf unveraumlnderliche Eigenschaften der phy-sikalischen Welt So beruht die Sekunde auf einer definierten Zahl von Schwingungen in der Elektronenhuumllle des Caumlsium-atoms und der Meter macht sich zunutze dass die konstante Geschwindigkeit des Lichts ein fundamentales Merkmal der Natur ist Der entscheidende Vorteil Naturkonstanten als De-finitionsgrundlage zu nehmen liegt darin begruumlndet dass sie so sind wie sie heiszligen ndash sie sind konstant Ist dagegen der Me-ter als Urmeter verkoumlrpert etwa in Form eines Platin-Iridium-Stabes von x-foumlrmigem Querschnitt ist Konstanz prinzipiell unerreichbar Schon jedes leichte Schwanken der Temperatur aumlndert den Meter von irgendwelchen Beschaumldigungen des Ob-jekts ganz zu schweigen Aumlnderungen in der Groumlszligenordnung von Mikrometern sind auch bei sorgfaumlltigstem Umgang fuumlr einen Urmeter an der Tagesordnung Fuumlr eine hochtechni-sierte Welt in der laumlngst der Nanometer Einzug gehalten hat sind solche Aumlnderungen freilich gigantisch und muumlssen unbe-dingt vermieden werden Die Loumlsung des Problems heiszligt Man

Das neue Internationale Einheitensystem (SI)

Das Bezugssystem in dem wir bdquodie Welt vermessenldquo liegt fest Wir teilen etwa die Zeit in Sekunden die Laumlnge in Meter und die Masse in Kilogramm Das Internationa-le Einheitensystem (SI) wird von nahezu 100 Staaten mitgetragen und ist damit eine globale Erfolgsgeschichte Jetzt erhaumllt das SI eine grundlegende Auffrischung sodass es allen wissenschaftlichen und technischen Herausforderungen des 21 Jahrhunderts gelassen entgegensehen kann Naturkonstanten wie die Lichtgeschwindigkeit oder die Ladung des Elektrons werden den Einheiten die bestmoumlgliche Definitionsgrundlage liefern

Schon Max Planck brachte im Jahr 1900 als er sein Strahlungsgesetz formulierte bdquoConstantenldquo und die Idee bdquonatuumlrlicher Maaszligeinheitenldquo ins Spiel guumlltig fuumlr bdquoalle Zeiten und fuumlr alle auch ausserirdische und auszligermenschliche Culturenldquo

Foto (aufgenommen ca 1901) Archiv der Max-Planck-Gesellschaft Berlin-Dahlem

nehme kein Artefakt um die Einheit zu definieren sondern eine Naturkonstante Diesen Wandel hin zu maszliggebenden () Naturkonstanten haben die uumlbrigen Einheiten noch vor sich Aber der Fahrplan fuumlr diesen Wandel steht fest Im Herbst des Jahres 2018 wird ndash so die (sehr wahrscheinliche) Prognose ndash eine Weltkonferenz in Paris den Umbau des Einheitensystems mit Brief und Siegel verabschieden

Die Experimente

Heute hat man Einheiten und bestimmt in diesem Einheiten-system die Werte der Naturkonstanten So haben wir definiert was ein Kilogramm sein soll und messen in dieser Einheit etwa die Masse eines Protons eines Elektrons oder anderer elementarer Teilchen Dies fuumlhrt zu dem bemerkenswerten Umstand dass sich die Werte der Naturkonstanten permanent aumlndern weil sich in diesen Werten unsere Messmoumlglichkeiten widerspiegeln Es gibt sogar eine Expertengruppe naumlmlich die bdquoCODATA Task Group on Fundamental Constantsldquo in den USA deren Aufgabe es ist die in den Physiklaboratorien aus aller Welt ermittelten Werte von Naturkonstanten zu bewer-ten und unter einen Hut zu bringen Alle vier Jahre bekommt so beispielsweise die Ladung des Elektrons einen neuen Zah-lenwert ndash obwohl sich die Ladung real natuumlrlich nicht geaumln-dert hat Geaumlndert haben sich lediglich unsere Messkunst und damit unser Wissen uumlber die Welt Mit der Revision des Ein-

PTB-Infoblatt ndash Das neue Internationale Einheitensystem (SI)

Δν

Met

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Probleme mit dem Kilogramm

Das Kilogramm ist in einem ganz woumlrtlichen Sinne in die Jahre gekommen Es ist heute immer noch das was es schon Ende des 19 Jahrhunderts war die Masse eines ganz gewissen Me-tallzylinders in einem Tresor im Internationalen Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) in der Naumlhe von Paris Jedes Kilogramm-stuumlck auf der Welt bezieht sich auf dieses Ur-Kilogramm Und nicht nur das Viele andere Einheiten wie das Mol oder das Ampere sind von ihm abhaumlngig Hat das Kilogramm ein Pro-blem haben es die anderen Einheiten automatisch auch Die Probleme der Kilogramm-Definition stecken in der Verkoumlrpe-rung ndash denn jedes makroskopische Objekt in dieser Welt ver-aumlndert sich So auch das Ur-Kilogramm und seine nationalen Kopien die die Mitgliedsstaaten der Meterkonvention bekom-men haben Wer also heute behauptet dass niemand wuumlsste wie schwer ein Kilogramm auf das Mikrogramm genau wirk-lich ist widerspricht zwar der Definition kommt jedoch dem Kern des Problems sehr nahe Dies hat die Metrologen auf den Plan gerufen um eine Loumlsung fuumlr dieses Problem zu finden

Zwei prinzipiell unterschiedliche Experimente sind es die dem Kilogramm ein zukuumlnftig stabiles Dasein verschaffen wollen Die eine Herangehensweise kompensiert die Schwerkraft auf ein Massestuumlck durch eine elektromagnetische Kraft Hierbei werden mehrere elektrische Quanteneffekte ausgenutzt was dazu fuumlhrt dass diese Experimente die sogenannten Watt-waagen-Experimente einen Wert des Planckrsquoschen Wirkungs-quantums h liefern Wesentliche Protagonisten dieses Experi-ments arbeiten etwa in Kanada in den USA oder in England Ein dazu alternatives Experiment das von der PTB favorisiert wird fuumlhrt eine makroskopische Masse auf die Masse eines Atoms zuruumlck Der Weg des Zaumlhlens einer sehr groszligen An-zahl von Atomen gelingt dabei nur wenn sich die Atome in ei-ner hochgeordneten Struktur befinden ndash in der Struktur eines Einkristalls Dieses Avogadro-Experiment (das so heiszligt weil als direktes Messergebnis die Avogadro-Konstante auftaucht) verwendet eine Kristallkugel aus isotopenreinem Silizium das als Ausgangsmaterial in zehntausenden von Zentrifugen an-gereichert wurde Der wissenschaftliche Wettstreit zwischen beiden Experimenten muss jedoch schlussendlich auf einer ge-meinsamen Ebene landen Nur wenn die Ergebnisse aus beiden Experimenten untereinander konsistent sind ist der Weg zu einem neuen Kilogramm offen

Das Ereignis

Alle vier Jahre kommt die metrologische Welt zu einem bdquogloba-len Familientreffenldquo zusammen Die Mitgliedsstaaten und die assoziierten Staaten der Meterkonvention (eines Staatenver-trags der bis ins Jahr 1875 zuruumlckreicht) entsenden politische und wissenschaftliche Abgeordnete zur Generalkonferenz fuumlr Maszlig und Gewicht (CGPM) in Paris um die metrologischen Leitplanken fuumlr die kommenden Jahre aufzustellen Alle Aumln-derungen am Internationalen Einheitensystem muumlssen dabei nicht nur wissenschaftlich fundiert sie muumlssen auch wissen-schaftspolitisch konsensfaumlhig sein Denn die Einheiten in de-nen wir messen wollen sind ja nicht nur Elemente eines kleinen

heitensystems wird der Spieszlig nun genau umgedreht So lieszlige sich im neuen System jede beliebige Geschwindigkeit relativ zur Lichtgeschwindigkeit ausdruumlcken oder jede elektrische Ladung relativ zur Elementarladung des Elektrons In diesem Sinne werden die Einheiten im neuen System nicht mehr ge-setzt sie werden vielmehr ndash anhand der vorgegebenen Natur-konstanten ndash ausgerechnet Allerdings haumltte man natuumlrlich gerne dass beispielsweise die Standardkoumlrpertemperatur des gesunden Menschen auch im neuen System bei 37 degC liegt oder dass sich das Koumlrpergewicht nicht daran stoumlrt wie das Kilo-gramm definiert ist Aus eben diesem Grund einem nahtlosen Uumlbergang vom alten ins neue System versuchen die metrolo-gischen Laboratorien die fraglichen Naturkonstanten ein letz-tes Mal so gut es irgend geht zu messen Diese Experimente laufen in einer Art kooperativem Wettbewerb zwischen den nationalen Metrologieinstituten Und am Ende werden neben der heute schon definierten bdquoUhrenfrequenzldquo im Caumlsiumatom und neben der Lichtgeschwindigkeit unter anderem auch noch folgende Konstanten feste Werte bekommen das Planckrsquosche Wirkungsquantum h die Avogadro-Konstante NA die Boltz-mann-Konstante kB und die Elementarladung e

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Mol

Wissenschaftszirkels sondern sie sind vielmehr wesentliches Werkzeug jedes Handelns und Wirtschaftens Jede Aumlnderung im und am Einheitensystem hat sofort Auswirkungen auf die bdquomessende Wirtschaftldquo in allen ihren Technologiebereichen und auf jeden Buumlrger dessen Alltag immer ein bdquovermessener Alltagldquo ist ob als Verbraucher Kunde oder Patient Daher wer-den Entscheidungen zum Einheitensystem auf einer General-konferenz nicht en passant getroffen sondern sind von langer Hand vorbereitet Dies gilt ganz besonders fuumlr die bevorste-hende Generalkonferenz im November des Jahres 2018 auf de-ren Agenda die Verabschiedung der grundlegenden Revision des SI steht Bereits auf mehreren Generalkonferenzen zuvor wurden die Voraussetzungen fuumlr und die Forderungen an ein neues SI formuliert und somit auch Zielmarken fuumlr die metro-logischen Laboratorien aufgestellt Alle Anzeichen deuten da-rauf hin dass die Metrologieinstitute die gesteckten Ziele (vor allem hinreichend kleine Unsicherheiten bei den Messungen) erreichen Offiziell in Kraft treten soll das neue SI dann ganz symboltraumlchtig am 20 Mai 2019 ndash dem Weltmetrologietag dem Jahrestag der Meterkonvention

Das neue SI in der Schule

Die Lehrerfrage bdquoWas ist ein Kilogrammldquo ist heute eine leichte Beute fuumlr jeden Schuumller der seine Nase nur ein wenig in die Buumlcher gesteckt hat Denn fuumlr die richtige Antwort folgen le-diglich die Begriffe bdquoUr-Kilogrammldquo bdquosehr altldquo und bdquoParisldquo womit fast schon alles gesagt waumlre Nach der Neudefinition wird dieselbe Lehrerfrage so ein Lehrer sie uumlberhaupt noch stellen wird houmlchstens die Finger der Physik-Cracks in die Houmlhe schnellen lassen Aus mehrheitlicher Schuumllersicht ist das natuumlrlich schade Aber das neue SI ist nun einmal deutlich abs-trakter und intellektuell anspruchsvoller als das jetzige System Zunaumlchst gilt es fuumlr jeden Schuumller die generelle Bedeutung der Naturkonstanten in Ansaumltzen nachzuvollziehen und ihr Kon-zept zu hinterfragen Was sind Naturkonstanten woher kom-men sie warum sind sie so wie sie sind Und dann muumlssen die ausgewaumlhlten Naturkonstanten im Einzelnen verstanden werden was bei der Lichtgeschwindigkeit sicher noch funktio-niert bei einer Konstante mit der Dimension einer Wirkung (h) aber moumlglicherweise schon nicht mehr Die eigentliche Ver-staumlndnishuumlrde entsteht dadurch dass die ausgewaumlhlten Kon-stanten nicht eins zu eins die Basiseinheiten abbilden Das waumlre der Fall bekaumlme jede Einheit einfach bdquoihre Konstanteldquo was allerdings voraussetzt dass diese Konstante auch die Di-mension eben dieser Einheit traumlgt Die fruumlhere Definition des Meters uumlber eine Lichtwellenlaumlnge als elementare Laumlnge war beispielsweise eine solche bdquoeinfache Zuordnungldquo Das neue SI verlangt dagegen eine groumlszligere Transferleistung So wer-den etwa alle Groumlszligen der Mechanik ndash die aus den Einheiten fuumlr Zeit Laumlnge und Masse gebildet werden ndash durch die drei Konstanten einer Frequenz einer Geschwindigkeit und einer

Wirkung repraumlsentiert Was hier im Wesentlichen geschieht ist die Darstellung der Welt in einem neuen Koordinatensys-tem Und in dem gilt es sich zurechtzufinden ndash eine Heraus-forderung nicht nur an jeden Schuumller sondern auch an die didaktischen Konzepte jedes Lehrers

Das neue SI in der Wissenschaft

Das neue Einheitensystem ist ein Meilenstein der Wissen-schaftsgeschichte und in absehbarer Zeit nach der Neudefi-nition auch der Technikgeschichte Zugleich ist es wegen sei-ner Universalitaumlt noch deutlich mehr Es ist ein Meilenstein in der Kulturgeschichte Vom Mittelalter bis weit ins 1819 Jahrhundert hinein waren die Einheiten bdquofuumlrstlich bestimmtldquo und im Wesentlichen regional Dann kamen die Revolutio-naumlre in Frankreich Ende des 18 Jahrhunderts Jetzt wurden Fuumlszlige Ellen Meilen Linien Klafter und Ruten abgeloumlst durch ein Maszlig das dem Planeten Erde abgerungen wurde ndash die Welt erlebte die Geburt des Meters und mit ihm des Kilogramms Mit der Meterkonvention (im Jahr 1875) und allen beitreten-den Staaten wurden diese Einheiten global Heute leben wir auf unserem Planeten in der Wissenschaft vollstaumlndig (und im Alltag weitgehend) mit einem einheitlichen Maszligsystem Und im Jahr 2018 erfolgt dann der Schritt uumlber unseren klei-nen Planeten hinaus Der Ruumlckgriff auf Naturkonstanten macht die Einheitendefinitionen prinzipiell universal Fuumlr die Wissenschaft ist dies allein schon aus systematischen Gruumln-den ein enormer Fortschritt Die Systematik meint den An-wendungsbereich des SI und zugleich seine innere bdquoLogikldquo So entfaumlllt im neuen SI die Unterscheidung zwischen Basis-einheiten und abgeleiteten Einheiten Vielmehr sind alle Ein-heiten dann aus Naturkonstanten bdquoabgeleitetldquo und in diesem Sinne gleichwertig

PTB-Infoblatt ndash Das neue Internationale Einheitensystem (SI)

Das neue SI in der Technik

Fuumlr die Wissenschaft tritt der Fortschritt sofort ein sobald die Neudefinitionen verabschiedet sind Fuumlr die Technik zeigen sich die Fortschritte als Langzeitwirkung Ein Clou am neuen Einheitensystem ist dass in ihm keinerlei tech-nische Barrieren mehr eingebaut sind Schwankt etwa im jetzigen System die Masse des Ur-Kilogramms in einer gewissen Groumlszligenordnung so ist die beste erreichbare Ge-nauigkeit einer Waumlgung eben dadurch begrenzt Im neuen SI dagegen gibt es keine Schwankungen mehr da die Natur-konstanten ja verbindlich festgelegte Werte bekommen So wird die Kilogramm-Definition unabhaumlngig von moumlglichen Massedriften jedweder Verkoumlrperungen sein Alle elektri-schen Einheiten inklusive des Ampere werden als Quanten-realisierungen (uumlber den Josephson- und den Quanten-Hall-Effekt oder bdquoeinfachldquo durch Zaumlhlen von Elektronen pro Zeit) Teil des Systems Und nicht zuletzt wird das Mol nun auch definitorisch uumlber eine festgelegte Anzahl von Teilchen (die Avogadro-Konstante) einer spezifizierten Substanz erfasst Daher gilt im neuen SI Kann genauer gemessen werden koumlnnen auch die Einheiten genauer realisiert werden ndash ohne Aumlnderung der zugrundeliegenden Definition In einer hoch-technischen Welt in der weder die Laumlngenteilungen beim Nanometer aufhoumlren werden noch die Zeitteilungen bei Femtosekunden ist diese technische Offenheit des neuen SI gegenuumlber allen zukuumlnftigen Genauigkeitsfortschritten ein groszliger Gewinn Und diese Offenheit gilt auf der gesamten Skala der jeweiligen Einheit da die Naturkonstanten keinen speziellen Skalenabschnitt hervorheben Dies steht durchaus im Gegensatz zur jetzigen Situation in der das Kilogramm den 1-kg-Punkt auf der Masseskala bevorzugt oder der Tri-pelpunkt des Wassers eben diesen 001-degC-Punkt auf der Temperaturskala

Das neue SI fuumlr die Oumlffentlichkeit

Die gute Nachricht fuumlr alle Buumlrger uumlber das neue SI wird sein dass niemand umdenken muss Die Messungen am Tag nach der Verabschiedung der Neudefinitionen werden nicht anders ausfallen als die Messungen am Tag zuvor Die Aumln-derungen an der Systematik des SI werden im alltaumlglichen Leben unbemerkt bleiben Die Waage im Supermarkt und die Zapfsaumlule an der Tankstelle werden auch nach den Neu-definitionen genauso arbeiten wie vorher Weder das Kleine Blutbild im medizinischen Labor noch das groszlige Koordi-natenmessgeraumlt in der Industrie werden neue Werte liefern Und auch die Stromrechnung wird sich zumindest deswe-gen nicht aumlndern Dieser luumlcken- und reibungslose Uumlber-gang stellt eine der wichtigsten Anforderungen bei der Re-vision des Einheitensystems dar Schlieszliglich geht es beim SI weniger um ein hochaumlsthetisches Theoriegebilde (auch wenn sich die Metrologen uumlber die Systematik des neuen Systems freuen) als vielmehr um ein praxistaugliches System das es gestatten soll unseren technischen Alltag in einer globa-lisierten Welt zu managen Daher lautet die wirklich gute Nachricht fuumlr alle Buumlrger uumlber das neue SI so bdquoGroszlige globa-le Einigkeit Kilogramm Kelvin und Co haben einen festen und zukunftssicheren Boden unter die Fuumlszlige bekommenldquo Und die gute Zusatznachricht fuumlr alle exportorientierten Staaten bdquoEinem regen Handel mit allen Marsianern et al steht nun nichts mehr im Wegeldquo

Δν

h

k

Kcd

Candela

Kelvin

Fotos und Grafiken Im neuen SI geht es abstrakter zu als im alten Jede Einheit ergibt sich in diesem System aus einer multiplikativen Verknuumlpfung von Naturkons-tanten Im Regelfall sind tatsaumlchlich mehrere Konstanten noumltig um eine Einheit darzustellen So benoumltigt beispielsweise der Meter zwei Konstan-ten oder das Kilogramm drei

Anhang Einheiten und bdquoihreldquo Konstanten

Sieben Naturkonstanten erhalten im neuen SI festgelegte Werte die Zahlenwerte entstammen den Ausgleichsrechnungen von CODATA im Sommer 2017 (CODATA 2017 special adjustment)

bull Frequenz des Hyperfeinstrukturuumlbergangs des Grundzustands im 133Cs-Atom Δν = 9 192 631 770 sndash1

bull Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c = 299 792 458 m sndash1

bull Planck-Konstante h = 6626 070 15 ∙ 10ndash34 J s (J s = kg m2 sndash1)

bull Elementarladung e = 1602 176 634 ∙ 10ndash19 C (C = A s)

bull Boltzmann-Konstante k = 1380 649 ∙ 10ndash23 J Kndash1 (J Kndash1 = kg m2 sndash2 Kndash1)

bull Avogadro-Konstante NA = 6022 140 76 ∙ 1023 molndash1

bull Das Photometrische Strahlungsaumlquivalent Kcd einer monochromatischen Strahlung der Frequenz 540 1012 Hz ist genau gleich 683 Lumen durch Watt

Sekunde (s)1 s = 9 192 631 770Δν

Meter (m)1 m = (c299 792 458) s = 30663 318hellip cΔν

Kilogramm (kg)1 kg = (h6626 070 15 ∙ 10ndash34) mndash2 s = 1475 521 ∙ 1040 h Δνc2

Ampere (A)1 A = e(1602 176 634 ∙ 10ndash19) sndash1 = 6789 686 ∙ 108 Δν e

Kelvin (K)1 K = (1380 649 ∙ 10ndash23k) kg m2 sndash2 = 2266 665 Δν hk

Mol (mol)1 mol = 6022 140 76 ∙ 1023NA

Candela (cd)1 cd = (Kcd683) kg m2 sndash3 srndash1 = 2614 830 ∙ 1010 (Δν)2 h Kcd

Physikalisch-Technische BundesanstaltBundesallee 10038116 Braunschweig

Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit

Telefon (0531) 592-3006E-Mail presseptbdewwwptbde

Stand 11 2017

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

Foto Deckblatt (Erde) NASA

Δν

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Probleme mit dem Kilogramm

Das Kilogramm ist in einem ganz woumlrtlichen Sinne in die Jahre gekommen Es ist heute immer noch das was es schon Ende des 19 Jahrhunderts war die Masse eines ganz gewissen Me-tallzylinders in einem Tresor im Internationalen Buumlro fuumlr Maszlig und Gewicht (BIPM) in der Naumlhe von Paris Jedes Kilogramm-stuumlck auf der Welt bezieht sich auf dieses Ur-Kilogramm Und nicht nur das Viele andere Einheiten wie das Mol oder das Ampere sind von ihm abhaumlngig Hat das Kilogramm ein Pro-blem haben es die anderen Einheiten automatisch auch Die Probleme der Kilogramm-Definition stecken in der Verkoumlrpe-rung ndash denn jedes makroskopische Objekt in dieser Welt ver-aumlndert sich So auch das Ur-Kilogramm und seine nationalen Kopien die die Mitgliedsstaaten der Meterkonvention bekom-men haben Wer also heute behauptet dass niemand wuumlsste wie schwer ein Kilogramm auf das Mikrogramm genau wirk-lich ist widerspricht zwar der Definition kommt jedoch dem Kern des Problems sehr nahe Dies hat die Metrologen auf den Plan gerufen um eine Loumlsung fuumlr dieses Problem zu finden

Zwei prinzipiell unterschiedliche Experimente sind es die dem Kilogramm ein zukuumlnftig stabiles Dasein verschaffen wollen Die eine Herangehensweise kompensiert die Schwerkraft auf ein Massestuumlck durch eine elektromagnetische Kraft Hierbei werden mehrere elektrische Quanteneffekte ausgenutzt was dazu fuumlhrt dass diese Experimente die sogenannten Watt-waagen-Experimente einen Wert des Planckrsquoschen Wirkungs-quantums h liefern Wesentliche Protagonisten dieses Experi-ments arbeiten etwa in Kanada in den USA oder in England Ein dazu alternatives Experiment das von der PTB favorisiert wird fuumlhrt eine makroskopische Masse auf die Masse eines Atoms zuruumlck Der Weg des Zaumlhlens einer sehr groszligen An-zahl von Atomen gelingt dabei nur wenn sich die Atome in ei-ner hochgeordneten Struktur befinden ndash in der Struktur eines Einkristalls Dieses Avogadro-Experiment (das so heiszligt weil als direktes Messergebnis die Avogadro-Konstante auftaucht) verwendet eine Kristallkugel aus isotopenreinem Silizium das als Ausgangsmaterial in zehntausenden von Zentrifugen an-gereichert wurde Der wissenschaftliche Wettstreit zwischen beiden Experimenten muss jedoch schlussendlich auf einer ge-meinsamen Ebene landen Nur wenn die Ergebnisse aus beiden Experimenten untereinander konsistent sind ist der Weg zu einem neuen Kilogramm offen

Das Ereignis

Alle vier Jahre kommt die metrologische Welt zu einem bdquogloba-len Familientreffenldquo zusammen Die Mitgliedsstaaten und die assoziierten Staaten der Meterkonvention (eines Staatenver-trags der bis ins Jahr 1875 zuruumlckreicht) entsenden politische und wissenschaftliche Abgeordnete zur Generalkonferenz fuumlr Maszlig und Gewicht (CGPM) in Paris um die metrologischen Leitplanken fuumlr die kommenden Jahre aufzustellen Alle Aumln-derungen am Internationalen Einheitensystem muumlssen dabei nicht nur wissenschaftlich fundiert sie muumlssen auch wissen-schaftspolitisch konsensfaumlhig sein Denn die Einheiten in de-nen wir messen wollen sind ja nicht nur Elemente eines kleinen

heitensystems wird der Spieszlig nun genau umgedreht So lieszlige sich im neuen System jede beliebige Geschwindigkeit relativ zur Lichtgeschwindigkeit ausdruumlcken oder jede elektrische Ladung relativ zur Elementarladung des Elektrons In diesem Sinne werden die Einheiten im neuen System nicht mehr ge-setzt sie werden vielmehr ndash anhand der vorgegebenen Natur-konstanten ndash ausgerechnet Allerdings haumltte man natuumlrlich gerne dass beispielsweise die Standardkoumlrpertemperatur des gesunden Menschen auch im neuen System bei 37 degC liegt oder dass sich das Koumlrpergewicht nicht daran stoumlrt wie das Kilo-gramm definiert ist Aus eben diesem Grund einem nahtlosen Uumlbergang vom alten ins neue System versuchen die metrolo-gischen Laboratorien die fraglichen Naturkonstanten ein letz-tes Mal so gut es irgend geht zu messen Diese Experimente laufen in einer Art kooperativem Wettbewerb zwischen den nationalen Metrologieinstituten Und am Ende werden neben der heute schon definierten bdquoUhrenfrequenzldquo im Caumlsiumatom und neben der Lichtgeschwindigkeit unter anderem auch noch folgende Konstanten feste Werte bekommen das Planckrsquosche Wirkungsquantum h die Avogadro-Konstante NA die Boltz-mann-Konstante kB und die Elementarladung e

Δν

e

Ampe

re

NA

Mol

Wissenschaftszirkels sondern sie sind vielmehr wesentliches Werkzeug jedes Handelns und Wirtschaftens Jede Aumlnderung im und am Einheitensystem hat sofort Auswirkungen auf die bdquomessende Wirtschaftldquo in allen ihren Technologiebereichen und auf jeden Buumlrger dessen Alltag immer ein bdquovermessener Alltagldquo ist ob als Verbraucher Kunde oder Patient Daher wer-den Entscheidungen zum Einheitensystem auf einer General-konferenz nicht en passant getroffen sondern sind von langer Hand vorbereitet Dies gilt ganz besonders fuumlr die bevorste-hende Generalkonferenz im November des Jahres 2018 auf de-ren Agenda die Verabschiedung der grundlegenden Revision des SI steht Bereits auf mehreren Generalkonferenzen zuvor wurden die Voraussetzungen fuumlr und die Forderungen an ein neues SI formuliert und somit auch Zielmarken fuumlr die metro-logischen Laboratorien aufgestellt Alle Anzeichen deuten da-rauf hin dass die Metrologieinstitute die gesteckten Ziele (vor allem hinreichend kleine Unsicherheiten bei den Messungen) erreichen Offiziell in Kraft treten soll das neue SI dann ganz symboltraumlchtig am 20 Mai 2019 ndash dem Weltmetrologietag dem Jahrestag der Meterkonvention

Das neue SI in der Schule

Die Lehrerfrage bdquoWas ist ein Kilogrammldquo ist heute eine leichte Beute fuumlr jeden Schuumller der seine Nase nur ein wenig in die Buumlcher gesteckt hat Denn fuumlr die richtige Antwort folgen le-diglich die Begriffe bdquoUr-Kilogrammldquo bdquosehr altldquo und bdquoParisldquo womit fast schon alles gesagt waumlre Nach der Neudefinition wird dieselbe Lehrerfrage so ein Lehrer sie uumlberhaupt noch stellen wird houmlchstens die Finger der Physik-Cracks in die Houmlhe schnellen lassen Aus mehrheitlicher Schuumllersicht ist das natuumlrlich schade Aber das neue SI ist nun einmal deutlich abs-trakter und intellektuell anspruchsvoller als das jetzige System Zunaumlchst gilt es fuumlr jeden Schuumller die generelle Bedeutung der Naturkonstanten in Ansaumltzen nachzuvollziehen und ihr Kon-zept zu hinterfragen Was sind Naturkonstanten woher kom-men sie warum sind sie so wie sie sind Und dann muumlssen die ausgewaumlhlten Naturkonstanten im Einzelnen verstanden werden was bei der Lichtgeschwindigkeit sicher noch funktio-niert bei einer Konstante mit der Dimension einer Wirkung (h) aber moumlglicherweise schon nicht mehr Die eigentliche Ver-staumlndnishuumlrde entsteht dadurch dass die ausgewaumlhlten Kon-stanten nicht eins zu eins die Basiseinheiten abbilden Das waumlre der Fall bekaumlme jede Einheit einfach bdquoihre Konstanteldquo was allerdings voraussetzt dass diese Konstante auch die Di-mension eben dieser Einheit traumlgt Die fruumlhere Definition des Meters uumlber eine Lichtwellenlaumlnge als elementare Laumlnge war beispielsweise eine solche bdquoeinfache Zuordnungldquo Das neue SI verlangt dagegen eine groumlszligere Transferleistung So wer-den etwa alle Groumlszligen der Mechanik ndash die aus den Einheiten fuumlr Zeit Laumlnge und Masse gebildet werden ndash durch die drei Konstanten einer Frequenz einer Geschwindigkeit und einer

Wirkung repraumlsentiert Was hier im Wesentlichen geschieht ist die Darstellung der Welt in einem neuen Koordinatensys-tem Und in dem gilt es sich zurechtzufinden ndash eine Heraus-forderung nicht nur an jeden Schuumller sondern auch an die didaktischen Konzepte jedes Lehrers

Das neue SI in der Wissenschaft

Das neue Einheitensystem ist ein Meilenstein der Wissen-schaftsgeschichte und in absehbarer Zeit nach der Neudefi-nition auch der Technikgeschichte Zugleich ist es wegen sei-ner Universalitaumlt noch deutlich mehr Es ist ein Meilenstein in der Kulturgeschichte Vom Mittelalter bis weit ins 1819 Jahrhundert hinein waren die Einheiten bdquofuumlrstlich bestimmtldquo und im Wesentlichen regional Dann kamen die Revolutio-naumlre in Frankreich Ende des 18 Jahrhunderts Jetzt wurden Fuumlszlige Ellen Meilen Linien Klafter und Ruten abgeloumlst durch ein Maszlig das dem Planeten Erde abgerungen wurde ndash die Welt erlebte die Geburt des Meters und mit ihm des Kilogramms Mit der Meterkonvention (im Jahr 1875) und allen beitreten-den Staaten wurden diese Einheiten global Heute leben wir auf unserem Planeten in der Wissenschaft vollstaumlndig (und im Alltag weitgehend) mit einem einheitlichen Maszligsystem Und im Jahr 2018 erfolgt dann der Schritt uumlber unseren klei-nen Planeten hinaus Der Ruumlckgriff auf Naturkonstanten macht die Einheitendefinitionen prinzipiell universal Fuumlr die Wissenschaft ist dies allein schon aus systematischen Gruumln-den ein enormer Fortschritt Die Systematik meint den An-wendungsbereich des SI und zugleich seine innere bdquoLogikldquo So entfaumlllt im neuen SI die Unterscheidung zwischen Basis-einheiten und abgeleiteten Einheiten Vielmehr sind alle Ein-heiten dann aus Naturkonstanten bdquoabgeleitetldquo und in diesem Sinne gleichwertig

PTB-Infoblatt ndash Das neue Internationale Einheitensystem (SI)

Das neue SI in der Technik

Fuumlr die Wissenschaft tritt der Fortschritt sofort ein sobald die Neudefinitionen verabschiedet sind Fuumlr die Technik zeigen sich die Fortschritte als Langzeitwirkung Ein Clou am neuen Einheitensystem ist dass in ihm keinerlei tech-nische Barrieren mehr eingebaut sind Schwankt etwa im jetzigen System die Masse des Ur-Kilogramms in einer gewissen Groumlszligenordnung so ist die beste erreichbare Ge-nauigkeit einer Waumlgung eben dadurch begrenzt Im neuen SI dagegen gibt es keine Schwankungen mehr da die Natur-konstanten ja verbindlich festgelegte Werte bekommen So wird die Kilogramm-Definition unabhaumlngig von moumlglichen Massedriften jedweder Verkoumlrperungen sein Alle elektri-schen Einheiten inklusive des Ampere werden als Quanten-realisierungen (uumlber den Josephson- und den Quanten-Hall-Effekt oder bdquoeinfachldquo durch Zaumlhlen von Elektronen pro Zeit) Teil des Systems Und nicht zuletzt wird das Mol nun auch definitorisch uumlber eine festgelegte Anzahl von Teilchen (die Avogadro-Konstante) einer spezifizierten Substanz erfasst Daher gilt im neuen SI Kann genauer gemessen werden koumlnnen auch die Einheiten genauer realisiert werden ndash ohne Aumlnderung der zugrundeliegenden Definition In einer hoch-technischen Welt in der weder die Laumlngenteilungen beim Nanometer aufhoumlren werden noch die Zeitteilungen bei Femtosekunden ist diese technische Offenheit des neuen SI gegenuumlber allen zukuumlnftigen Genauigkeitsfortschritten ein groszliger Gewinn Und diese Offenheit gilt auf der gesamten Skala der jeweiligen Einheit da die Naturkonstanten keinen speziellen Skalenabschnitt hervorheben Dies steht durchaus im Gegensatz zur jetzigen Situation in der das Kilogramm den 1-kg-Punkt auf der Masseskala bevorzugt oder der Tri-pelpunkt des Wassers eben diesen 001-degC-Punkt auf der Temperaturskala

Das neue SI fuumlr die Oumlffentlichkeit

Die gute Nachricht fuumlr alle Buumlrger uumlber das neue SI wird sein dass niemand umdenken muss Die Messungen am Tag nach der Verabschiedung der Neudefinitionen werden nicht anders ausfallen als die Messungen am Tag zuvor Die Aumln-derungen an der Systematik des SI werden im alltaumlglichen Leben unbemerkt bleiben Die Waage im Supermarkt und die Zapfsaumlule an der Tankstelle werden auch nach den Neu-definitionen genauso arbeiten wie vorher Weder das Kleine Blutbild im medizinischen Labor noch das groszlige Koordi-natenmessgeraumlt in der Industrie werden neue Werte liefern Und auch die Stromrechnung wird sich zumindest deswe-gen nicht aumlndern Dieser luumlcken- und reibungslose Uumlber-gang stellt eine der wichtigsten Anforderungen bei der Re-vision des Einheitensystems dar Schlieszliglich geht es beim SI weniger um ein hochaumlsthetisches Theoriegebilde (auch wenn sich die Metrologen uumlber die Systematik des neuen Systems freuen) als vielmehr um ein praxistaugliches System das es gestatten soll unseren technischen Alltag in einer globa-lisierten Welt zu managen Daher lautet die wirklich gute Nachricht fuumlr alle Buumlrger uumlber das neue SI so bdquoGroszlige globa-le Einigkeit Kilogramm Kelvin und Co haben einen festen und zukunftssicheren Boden unter die Fuumlszlige bekommenldquo Und die gute Zusatznachricht fuumlr alle exportorientierten Staaten bdquoEinem regen Handel mit allen Marsianern et al steht nun nichts mehr im Wegeldquo

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Kelvin

Fotos und Grafiken Im neuen SI geht es abstrakter zu als im alten Jede Einheit ergibt sich in diesem System aus einer multiplikativen Verknuumlpfung von Naturkons-tanten Im Regelfall sind tatsaumlchlich mehrere Konstanten noumltig um eine Einheit darzustellen So benoumltigt beispielsweise der Meter zwei Konstan-ten oder das Kilogramm drei

Anhang Einheiten und bdquoihreldquo Konstanten

Sieben Naturkonstanten erhalten im neuen SI festgelegte Werte die Zahlenwerte entstammen den Ausgleichsrechnungen von CODATA im Sommer 2017 (CODATA 2017 special adjustment)

bull Frequenz des Hyperfeinstrukturuumlbergangs des Grundzustands im 133Cs-Atom Δν = 9 192 631 770 sndash1

bull Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c = 299 792 458 m sndash1

bull Planck-Konstante h = 6626 070 15 ∙ 10ndash34 J s (J s = kg m2 sndash1)

bull Elementarladung e = 1602 176 634 ∙ 10ndash19 C (C = A s)

bull Boltzmann-Konstante k = 1380 649 ∙ 10ndash23 J Kndash1 (J Kndash1 = kg m2 sndash2 Kndash1)

bull Avogadro-Konstante NA = 6022 140 76 ∙ 1023 molndash1

bull Das Photometrische Strahlungsaumlquivalent Kcd einer monochromatischen Strahlung der Frequenz 540 1012 Hz ist genau gleich 683 Lumen durch Watt

Sekunde (s)1 s = 9 192 631 770Δν

Meter (m)1 m = (c299 792 458) s = 30663 318hellip cΔν

Kilogramm (kg)1 kg = (h6626 070 15 ∙ 10ndash34) mndash2 s = 1475 521 ∙ 1040 h Δνc2

Ampere (A)1 A = e(1602 176 634 ∙ 10ndash19) sndash1 = 6789 686 ∙ 108 Δν e

Kelvin (K)1 K = (1380 649 ∙ 10ndash23k) kg m2 sndash2 = 2266 665 Δν hk

Mol (mol)1 mol = 6022 140 76 ∙ 1023NA

Candela (cd)1 cd = (Kcd683) kg m2 sndash3 srndash1 = 2614 830 ∙ 1010 (Δν)2 h Kcd

Physikalisch-Technische BundesanstaltBundesallee 10038116 Braunschweig

Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit

Telefon (0531) 592-3006E-Mail presseptbdewwwptbde

Stand 11 2017

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

Foto Deckblatt (Erde) NASA

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Wissenschaftszirkels sondern sie sind vielmehr wesentliches Werkzeug jedes Handelns und Wirtschaftens Jede Aumlnderung im und am Einheitensystem hat sofort Auswirkungen auf die bdquomessende Wirtschaftldquo in allen ihren Technologiebereichen und auf jeden Buumlrger dessen Alltag immer ein bdquovermessener Alltagldquo ist ob als Verbraucher Kunde oder Patient Daher wer-den Entscheidungen zum Einheitensystem auf einer General-konferenz nicht en passant getroffen sondern sind von langer Hand vorbereitet Dies gilt ganz besonders fuumlr die bevorste-hende Generalkonferenz im November des Jahres 2018 auf de-ren Agenda die Verabschiedung der grundlegenden Revision des SI steht Bereits auf mehreren Generalkonferenzen zuvor wurden die Voraussetzungen fuumlr und die Forderungen an ein neues SI formuliert und somit auch Zielmarken fuumlr die metro-logischen Laboratorien aufgestellt Alle Anzeichen deuten da-rauf hin dass die Metrologieinstitute die gesteckten Ziele (vor allem hinreichend kleine Unsicherheiten bei den Messungen) erreichen Offiziell in Kraft treten soll das neue SI dann ganz symboltraumlchtig am 20 Mai 2019 ndash dem Weltmetrologietag dem Jahrestag der Meterkonvention

Das neue SI in der Schule

Die Lehrerfrage bdquoWas ist ein Kilogrammldquo ist heute eine leichte Beute fuumlr jeden Schuumller der seine Nase nur ein wenig in die Buumlcher gesteckt hat Denn fuumlr die richtige Antwort folgen le-diglich die Begriffe bdquoUr-Kilogrammldquo bdquosehr altldquo und bdquoParisldquo womit fast schon alles gesagt waumlre Nach der Neudefinition wird dieselbe Lehrerfrage so ein Lehrer sie uumlberhaupt noch stellen wird houmlchstens die Finger der Physik-Cracks in die Houmlhe schnellen lassen Aus mehrheitlicher Schuumllersicht ist das natuumlrlich schade Aber das neue SI ist nun einmal deutlich abs-trakter und intellektuell anspruchsvoller als das jetzige System Zunaumlchst gilt es fuumlr jeden Schuumller die generelle Bedeutung der Naturkonstanten in Ansaumltzen nachzuvollziehen und ihr Kon-zept zu hinterfragen Was sind Naturkonstanten woher kom-men sie warum sind sie so wie sie sind Und dann muumlssen die ausgewaumlhlten Naturkonstanten im Einzelnen verstanden werden was bei der Lichtgeschwindigkeit sicher noch funktio-niert bei einer Konstante mit der Dimension einer Wirkung (h) aber moumlglicherweise schon nicht mehr Die eigentliche Ver-staumlndnishuumlrde entsteht dadurch dass die ausgewaumlhlten Kon-stanten nicht eins zu eins die Basiseinheiten abbilden Das waumlre der Fall bekaumlme jede Einheit einfach bdquoihre Konstanteldquo was allerdings voraussetzt dass diese Konstante auch die Di-mension eben dieser Einheit traumlgt Die fruumlhere Definition des Meters uumlber eine Lichtwellenlaumlnge als elementare Laumlnge war beispielsweise eine solche bdquoeinfache Zuordnungldquo Das neue SI verlangt dagegen eine groumlszligere Transferleistung So wer-den etwa alle Groumlszligen der Mechanik ndash die aus den Einheiten fuumlr Zeit Laumlnge und Masse gebildet werden ndash durch die drei Konstanten einer Frequenz einer Geschwindigkeit und einer

Wirkung repraumlsentiert Was hier im Wesentlichen geschieht ist die Darstellung der Welt in einem neuen Koordinatensys-tem Und in dem gilt es sich zurechtzufinden ndash eine Heraus-forderung nicht nur an jeden Schuumller sondern auch an die didaktischen Konzepte jedes Lehrers

Das neue SI in der Wissenschaft

Das neue Einheitensystem ist ein Meilenstein der Wissen-schaftsgeschichte und in absehbarer Zeit nach der Neudefi-nition auch der Technikgeschichte Zugleich ist es wegen sei-ner Universalitaumlt noch deutlich mehr Es ist ein Meilenstein in der Kulturgeschichte Vom Mittelalter bis weit ins 1819 Jahrhundert hinein waren die Einheiten bdquofuumlrstlich bestimmtldquo und im Wesentlichen regional Dann kamen die Revolutio-naumlre in Frankreich Ende des 18 Jahrhunderts Jetzt wurden Fuumlszlige Ellen Meilen Linien Klafter und Ruten abgeloumlst durch ein Maszlig das dem Planeten Erde abgerungen wurde ndash die Welt erlebte die Geburt des Meters und mit ihm des Kilogramms Mit der Meterkonvention (im Jahr 1875) und allen beitreten-den Staaten wurden diese Einheiten global Heute leben wir auf unserem Planeten in der Wissenschaft vollstaumlndig (und im Alltag weitgehend) mit einem einheitlichen Maszligsystem Und im Jahr 2018 erfolgt dann der Schritt uumlber unseren klei-nen Planeten hinaus Der Ruumlckgriff auf Naturkonstanten macht die Einheitendefinitionen prinzipiell universal Fuumlr die Wissenschaft ist dies allein schon aus systematischen Gruumln-den ein enormer Fortschritt Die Systematik meint den An-wendungsbereich des SI und zugleich seine innere bdquoLogikldquo So entfaumlllt im neuen SI die Unterscheidung zwischen Basis-einheiten und abgeleiteten Einheiten Vielmehr sind alle Ein-heiten dann aus Naturkonstanten bdquoabgeleitetldquo und in diesem Sinne gleichwertig

PTB-Infoblatt ndash Das neue Internationale Einheitensystem (SI)

Das neue SI in der Technik

Fuumlr die Wissenschaft tritt der Fortschritt sofort ein sobald die Neudefinitionen verabschiedet sind Fuumlr die Technik zeigen sich die Fortschritte als Langzeitwirkung Ein Clou am neuen Einheitensystem ist dass in ihm keinerlei tech-nische Barrieren mehr eingebaut sind Schwankt etwa im jetzigen System die Masse des Ur-Kilogramms in einer gewissen Groumlszligenordnung so ist die beste erreichbare Ge-nauigkeit einer Waumlgung eben dadurch begrenzt Im neuen SI dagegen gibt es keine Schwankungen mehr da die Natur-konstanten ja verbindlich festgelegte Werte bekommen So wird die Kilogramm-Definition unabhaumlngig von moumlglichen Massedriften jedweder Verkoumlrperungen sein Alle elektri-schen Einheiten inklusive des Ampere werden als Quanten-realisierungen (uumlber den Josephson- und den Quanten-Hall-Effekt oder bdquoeinfachldquo durch Zaumlhlen von Elektronen pro Zeit) Teil des Systems Und nicht zuletzt wird das Mol nun auch definitorisch uumlber eine festgelegte Anzahl von Teilchen (die Avogadro-Konstante) einer spezifizierten Substanz erfasst Daher gilt im neuen SI Kann genauer gemessen werden koumlnnen auch die Einheiten genauer realisiert werden ndash ohne Aumlnderung der zugrundeliegenden Definition In einer hoch-technischen Welt in der weder die Laumlngenteilungen beim Nanometer aufhoumlren werden noch die Zeitteilungen bei Femtosekunden ist diese technische Offenheit des neuen SI gegenuumlber allen zukuumlnftigen Genauigkeitsfortschritten ein groszliger Gewinn Und diese Offenheit gilt auf der gesamten Skala der jeweiligen Einheit da die Naturkonstanten keinen speziellen Skalenabschnitt hervorheben Dies steht durchaus im Gegensatz zur jetzigen Situation in der das Kilogramm den 1-kg-Punkt auf der Masseskala bevorzugt oder der Tri-pelpunkt des Wassers eben diesen 001-degC-Punkt auf der Temperaturskala

Das neue SI fuumlr die Oumlffentlichkeit

Die gute Nachricht fuumlr alle Buumlrger uumlber das neue SI wird sein dass niemand umdenken muss Die Messungen am Tag nach der Verabschiedung der Neudefinitionen werden nicht anders ausfallen als die Messungen am Tag zuvor Die Aumln-derungen an der Systematik des SI werden im alltaumlglichen Leben unbemerkt bleiben Die Waage im Supermarkt und die Zapfsaumlule an der Tankstelle werden auch nach den Neu-definitionen genauso arbeiten wie vorher Weder das Kleine Blutbild im medizinischen Labor noch das groszlige Koordi-natenmessgeraumlt in der Industrie werden neue Werte liefern Und auch die Stromrechnung wird sich zumindest deswe-gen nicht aumlndern Dieser luumlcken- und reibungslose Uumlber-gang stellt eine der wichtigsten Anforderungen bei der Re-vision des Einheitensystems dar Schlieszliglich geht es beim SI weniger um ein hochaumlsthetisches Theoriegebilde (auch wenn sich die Metrologen uumlber die Systematik des neuen Systems freuen) als vielmehr um ein praxistaugliches System das es gestatten soll unseren technischen Alltag in einer globa-lisierten Welt zu managen Daher lautet die wirklich gute Nachricht fuumlr alle Buumlrger uumlber das neue SI so bdquoGroszlige globa-le Einigkeit Kilogramm Kelvin und Co haben einen festen und zukunftssicheren Boden unter die Fuumlszlige bekommenldquo Und die gute Zusatznachricht fuumlr alle exportorientierten Staaten bdquoEinem regen Handel mit allen Marsianern et al steht nun nichts mehr im Wegeldquo

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Kelvin

Fotos und Grafiken Im neuen SI geht es abstrakter zu als im alten Jede Einheit ergibt sich in diesem System aus einer multiplikativen Verknuumlpfung von Naturkons-tanten Im Regelfall sind tatsaumlchlich mehrere Konstanten noumltig um eine Einheit darzustellen So benoumltigt beispielsweise der Meter zwei Konstan-ten oder das Kilogramm drei

Anhang Einheiten und bdquoihreldquo Konstanten

Sieben Naturkonstanten erhalten im neuen SI festgelegte Werte die Zahlenwerte entstammen den Ausgleichsrechnungen von CODATA im Sommer 2017 (CODATA 2017 special adjustment)

bull Frequenz des Hyperfeinstrukturuumlbergangs des Grundzustands im 133Cs-Atom Δν = 9 192 631 770 sndash1

bull Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c = 299 792 458 m sndash1

bull Planck-Konstante h = 6626 070 15 ∙ 10ndash34 J s (J s = kg m2 sndash1)

bull Elementarladung e = 1602 176 634 ∙ 10ndash19 C (C = A s)

bull Boltzmann-Konstante k = 1380 649 ∙ 10ndash23 J Kndash1 (J Kndash1 = kg m2 sndash2 Kndash1)

bull Avogadro-Konstante NA = 6022 140 76 ∙ 1023 molndash1

bull Das Photometrische Strahlungsaumlquivalent Kcd einer monochromatischen Strahlung der Frequenz 540 1012 Hz ist genau gleich 683 Lumen durch Watt

Sekunde (s)1 s = 9 192 631 770Δν

Meter (m)1 m = (c299 792 458) s = 30663 318hellip cΔν

Kilogramm (kg)1 kg = (h6626 070 15 ∙ 10ndash34) mndash2 s = 1475 521 ∙ 1040 h Δνc2

Ampere (A)1 A = e(1602 176 634 ∙ 10ndash19) sndash1 = 6789 686 ∙ 108 Δν e

Kelvin (K)1 K = (1380 649 ∙ 10ndash23k) kg m2 sndash2 = 2266 665 Δν hk

Mol (mol)1 mol = 6022 140 76 ∙ 1023NA

Candela (cd)1 cd = (Kcd683) kg m2 sndash3 srndash1 = 2614 830 ∙ 1010 (Δν)2 h Kcd

Physikalisch-Technische BundesanstaltBundesallee 10038116 Braunschweig

Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit

Telefon (0531) 592-3006E-Mail presseptbdewwwptbde

Stand 11 2017

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt das nationale Metrologieinstitut ist eine wissenschaftlich-technische Bundesoberbehoumlrde im Geschaumlftsbereich des Bundesministeriums fuumlr Wirtschaft und Energie

Foto Deckblatt (Erde) NASA

PTB-Infoblatt ndash Das neue Internationale Einheitensystem (SI)

Das neue SI in der Technik

Fuumlr die Wissenschaft tritt der Fortschritt sofort ein sobald die Neudefinitionen verabschiedet sind Fuumlr die Technik zeigen sich die Fortschritte als Langzeitwirkung Ein Clou am neuen Einheitensystem ist dass in ihm keinerlei tech-nische Barrieren mehr eingebaut sind Schwankt etwa im jetzigen System die Masse des Ur-Kilogramms in einer gewissen Groumlszligenordnung so ist die beste erreichbare Ge-nauigkeit einer Waumlgung eben dadurch begrenzt Im neuen SI dagegen gibt es keine Schwankungen mehr da die Natur-konstanten ja verbindlich festgelegte Werte bekommen So wird die Kilogramm-Definition unabhaumlngig von moumlglichen Massedriften jedweder Verkoumlrperungen sein Alle elektri-schen Einheiten inklusive des Ampere werden als Quanten-realisierungen (uumlber den Josephson- und den Quanten-Hall-Effekt oder bdquoeinfachldquo durch Zaumlhlen von Elektronen pro Zeit) Teil des Systems Und nicht zuletzt wird das Mol nun auch definitorisch uumlber eine festgelegte Anzahl von Teilchen (die Avogadro-Konstante) einer spezifizierten Substanz erfasst Daher gilt im neuen SI Kann genauer gemessen werden koumlnnen auch die Einheiten genauer realisiert werden ndash ohne Aumlnderung der zugrundeliegenden Definition In einer hoch-technischen Welt in der weder die Laumlngenteilungen beim Nanometer aufhoumlren werden noch die Zeitteilungen bei Femtosekunden ist diese technische Offenheit des neuen SI gegenuumlber allen zukuumlnftigen Genauigkeitsfortschritten ein groszliger Gewinn Und diese Offenheit gilt auf der gesamten Skala der jeweiligen Einheit da die Naturkonstanten keinen speziellen Skalenabschnitt hervorheben Dies steht durchaus im Gegensatz zur jetzigen Situation in der das Kilogramm den 1-kg-Punkt auf der Masseskala bevorzugt oder der Tri-pelpunkt des Wassers eben diesen 001-degC-Punkt auf der Temperaturskala

Das neue SI fuumlr die Oumlffentlichkeit

Die gute Nachricht fuumlr alle Buumlrger uumlber das neue SI wird sein dass niemand umdenken muss Die Messungen am Tag nach der Verabschiedung der Neudefinitionen werden nicht anders ausfallen als die Messungen am Tag zuvor Die Aumln-derungen an der Systematik des SI werden im alltaumlglichen Leben unbemerkt bleiben Die Waage im Supermarkt und die Zapfsaumlule an der Tankstelle werden auch nach den Neu-definitionen genauso arbeiten wie vorher Weder das Kleine Blutbild im medizinischen Labor noch das groszlige Koordi-natenmessgeraumlt in der Industrie werden neue Werte liefern Und auch die Stromrechnung wird sich zumindest deswe-gen nicht aumlndern Dieser luumlcken- und reibungslose Uumlber-gang stellt eine der wichtigsten Anforderungen bei der Re-vision des Einheitensystems dar Schlieszliglich geht es beim SI weniger um ein hochaumlsthetisches Theoriegebilde (auch wenn sich die Metrologen uumlber die Systematik des neuen Systems freuen) als vielmehr um ein praxistaugliches System das es gestatten soll unseren technischen Alltag in einer globa-lisierten Welt zu managen Daher lautet die wirklich gute Nachricht fuumlr alle Buumlrger uumlber das neue SI so bdquoGroszlige globa-le Einigkeit Kilogramm Kelvin und Co haben einen festen und zukunftssicheren Boden unter die Fuumlszlige bekommenldquo Und die gute Zusatznachricht fuumlr alle exportorientierten Staaten bdquoEinem regen Handel mit allen Marsianern et al steht nun nichts mehr im Wegeldquo

Δν

h

k

Kcd

Candela

Kelvin

Fotos und Grafiken Im neuen SI geht es abstrakter zu als im alten Jede Einheit ergibt sich in diesem System aus einer multiplikativen Verknuumlpfung von Naturkons-tanten Im Regelfall sind tatsaumlchlich mehrere Konstanten noumltig um eine Einheit darzustellen So benoumltigt beispielsweise der Meter zwei Konstan-ten oder das Kilogramm drei

Anhang Einheiten und bdquoihreldquo Konstanten

Sieben Naturkonstanten erhalten im neuen SI festgelegte Werte die Zahlenwerte entstammen den Ausgleichsrechnungen von CODATA im Sommer 2017 (CODATA 2017 special adjustment)

bull Frequenz des Hyperfeinstrukturuumlbergangs des Grundzustands im 133Cs-Atom Δν = 9 192 631 770 sndash1

bull Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c = 299 792 458 m sndash1

bull Planck-Konstante h = 6626 070 15 ∙ 10ndash34 J s (J s = kg m2 sndash1)

bull Elementarladung e = 1602 176 634 ∙ 10ndash19 C (C = A s)

bull Boltzmann-Konstante k = 1380 649 ∙ 10ndash23 J Kndash1 (J Kndash1 = kg m2 sndash2 Kndash1)

bull Avogadro-Konstante NA = 6022 140 76 ∙ 1023 molndash1

bull Das Photometrische Strahlungsaumlquivalent Kcd einer monochromatischen Strahlung der Frequenz 540 1012 Hz ist genau gleich 683 Lumen durch Watt

Sekunde (s)1 s = 9 192 631 770Δν

Meter (m)1 m = (c299 792 458) s = 30663 318hellip cΔν

Kilogramm (kg)1 kg = (h6626 070 15 ∙ 10ndash34) mndash2 s = 1475 521 ∙ 1040 h Δνc2

Ampere (A)1 A = e(1602 176 634 ∙ 10ndash19) sndash1 = 6789 686 ∙ 108 Δν e

Kelvin (K)1 K = (1380 649 ∙ 10ndash23k) kg m2 sndash2 = 2266 665 Δν hk

Mol (mol)1 mol = 6022 140 76 ∙ 1023NA

Candela (cd)1 cd = (Kcd683) kg m2 sndash3 srndash1 = 2614 830 ∙ 1010 (Δν)2 h Kcd

Physikalisch-Technische BundesanstaltBundesallee 10038116 Braunschweig

Presse- und Oumlffentlichkeitsarbeit

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Sieben Naturkonstanten erhalten im neuen SI festgelegte Werte die Zahlenwerte entstammen den Ausgleichsrechnungen von CODATA im Sommer 2017 (CODATA 2017 special adjustment)

bull Frequenz des Hyperfeinstrukturuumlbergangs des Grundzustands im 133Cs-Atom Δν = 9 192 631 770 sndash1

bull Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c = 299 792 458 m sndash1

bull Planck-Konstante h = 6626 070 15 ∙ 10ndash34 J s (J s = kg m2 sndash1)

bull Elementarladung e = 1602 176 634 ∙ 10ndash19 C (C = A s)

bull Boltzmann-Konstante k = 1380 649 ∙ 10ndash23 J Kndash1 (J Kndash1 = kg m2 sndash2 Kndash1)

bull Avogadro-Konstante NA = 6022 140 76 ∙ 1023 molndash1

bull Das Photometrische Strahlungsaumlquivalent Kcd einer monochromatischen Strahlung der Frequenz 540 1012 Hz ist genau gleich 683 Lumen durch Watt

Sekunde (s)1 s = 9 192 631 770Δν

Meter (m)1 m = (c299 792 458) s = 30663 318hellip cΔν

Kilogramm (kg)1 kg = (h6626 070 15 ∙ 10ndash34) mndash2 s = 1475 521 ∙ 1040 h Δνc2

Ampere (A)1 A = e(1602 176 634 ∙ 10ndash19) sndash1 = 6789 686 ∙ 108 Δν e

Kelvin (K)1 K = (1380 649 ∙ 10ndash23k) kg m2 sndash2 = 2266 665 Δν hk

Mol (mol)1 mol = 6022 140 76 ∙ 1023NA

Candela (cd)1 cd = (Kcd683) kg m2 sndash3 srndash1 = 2614 830 ∙ 1010 (Δν)2 h Kcd

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