Auf der Suche nach ewigen, unveränderlichen Maßstäben

An einem Sonntagnachmittag ging Frau Kim mit ihrer Familie Lebensmittel einkaufen. Da die Temperatur unter 2°C lag, brachten sie Winterjacken mit und stiegen in das Auto. Das GPS zeigte an, dass es etwa 20 Minuten dauern würde, um zu dem etwa 5 km [3,1 mi] entfernten Supermarkt zu fahren.

Als Erstes ging sie Schuhe für ihren Mann kaufen. Er probierte Schuhe an (275 mm und 280 mm) und wählte die größere Größe. Im Lebensmittelgeschäft kauften sie Rindfleisch (600 g) für das Abendessen, zwei Flaschen Milch (1 L) mit Rabatt und eine Kiste Äpfel (5 kg).

Temperatur, Entfernung, Gewicht und alle möglichen Größen … Wir sind unser ganzes Leben lang von unzähligen Zahlen umgeben. Wie sind diese Maßeinheiten entstanden?

Einheiten, das Barometer der Zivilisation

Es gab einen wachsenden Bedarf an Einheiten, als die Menschen begannen, Landwirtschaft zu betreiben und die Zivilisation aufkeimte. Die Entwicklung von Gewichten und Maßen war notwendig, um landwirtschaftliche Flächen zu vermessen und die geerntete Ernte zu verteilen. Sie mussten das Volumen oder Gewicht eines Objekts für einen fairen Handel kennen und Materialien genau abmessen, um Produkte wie Kleidung herzustellen und Gebäude zu errichten.

Die frühesten Maßeinheiten basierten auf menschlichen Körperteilen. Im antiken Griechenland war der „pous“ der Begriff für die Länge eines Fußes und der „daktylos“ für die Breite eines Fingers; ein pous wurde in 16 daktylos oder Ziffern unterteilt. Diese Maßeinheiten, die auf menschlichen Körperteilen oder den Fähigkeiten des Menschen basieren, werden in Japan „身體尺 (shintaishaku)“ genannt. Der shaku (尺) ist der Abstand von der Spitze des Daumens bis zur Spitze des ausgestreckten Zeigefingers, und die Elle aus Ägypten basiert auf dem Abstand von der Spitze des Mittelfingers bis zur Unterseite des Ellenbogens. In der westlichen Welt war der Digit die kleinste Grundeinheit und entsprach der Breite eines Fingers.

Es ist jedoch schwierig, körperbasierte Maßeinheiten zu vereinheitlichen, da jeder Mensch eine andere Körpergröße hat. Um dieses Problem zu lösen, etablierte Ägypten eine Standard-Elle, die sogenannte Königliche Elle, die auf der Länge des Unterarms des Pharaos basierte, und verwendete sie für den Bau der Pyramiden.

Auch Körner wurden als Maßeinheit verwendet, weil sie fest und leicht zu beschaffen sind. Im dritten Jahrhundert v. Chr. benutzte die Qin-Dynastie die Länge eines Bambusrohrinstruments namens huangzhong als Standardmaßeinheit; jedes hatte die Länge, um 90 Hirsekörner aufzureihen. Sie benutzten Hirse als Maßeinheit. Eine kleinere Einheit „chun (寸)“ entsprach der Länge der Aufreihung von 10 Hirsekörnern.

Körner wurden auch zum Messen von Gewichten verwendet. Die Römer legten 1.728 Johannisbrotkerne fest, um ein römisches Pfund zu wiegen und 144 Johannisbrotkerne, um eine römische Unze zu wiegen. Der Begriff „Karat“ ist vom Johannisbrotkern abgeleitet, der ursprünglichen Maßeinheit für das Gewicht von Diamanten. In britischen Imperialeinheiten entsprach ein Pfund 7.000 Gerstenkörnern. Körner eigneten sich jedoch nicht als Standardmaßeinheit, da ihr Gewicht und ihre Länge je nach Witterung schwankten und ihre Größen voneinander abwichen.

Bemühungen um Vereinheitlichung der Einheiten

Am 23. Juli 1983 ging einer Boeing 767 der Air Canada auf dem Weg nach Edmonton der Treibstoff aus und das Warnsystem ertönte. Die Triebwerke blieben stehen, und der Pilot konnte gerade noch eine Notlandung durchführen. Dieser Unfall wurde durch Verwirrung über Maßeinheiten verursacht. Die Piloten berechneten die benötigte Treibstoffmenge in Kilogramm, aber das Bodenpersonal betankte das Flugzeug in Pfund. Folglich flog das Flugzeug mit weniger als der Hälfte des benötigten Treibstoffs.¹

1. 1 L = 0,8 kg [1.77 lb]

Im September 1999 ging der Mars Climate Orbiter der NASA verloren, als er in die Marsatmosphäre eintrat. Dies war ebenfalls auf eine Verwechslung der Maßeinheiten zurückzuführen. Die NASA verwendet das metrische System von Metern und Kilogramm, aber die Firma, die das Raumschiff baute, verwendete das imperiale System von Einheiten, die auf Yards und Gallonen basieren. Die Einheitenverwechslung wurde nicht einmal bemerkt, als das Raumschiff in die Marsatmosphäre eintrat, was den Unfall verursachte.

Durch alle Zeitalter hindurch hat das uneinheitliche Einheitensystem Verwirrung gestiftet. In Frankreich waren im 18. Jahrhundert über 250.000 verschiedene Maßeinheiten in Gebrauch. Dies führte zu Kommunikations- und Handelsproblemen, und die Fürsten konnten nach eigenem Gutdünken Steuern erheben. Diese Art von Problemen gab es sowohl im Osten als auch im Westen. Das Chi (尺) basierte ursprünglich auf dem Abstand, den eine menschliche Hand von der Spitze des Daumens bis zur Spitze des Zeigefingers misst, aber seine Standardlänge wurde im Laufe der Zeit länger. Als die Regierung von Meiji Japan ihn 1875 einführte, betrug seine Länge 30 Zentimeter. Dies geschah auch, als die Gouverneure die Länge immer weiter erhöhten, um mehr Steuern einzutreiben.

Wissenschaftler träumten schon lange davon, wissenschaftliche Einheiten zu entwickeln, die einheitlich und für jeden leicht zu verwenden sind. Christopher Wren, ein englischer Architekt und Astronom des 17. Jahrhunderts, versuchte, die Standard-Längeneinheit mit Hilfe der Schwingung des Pendels zu bestimmen. Er schlug ein neues System vor, das auf dem Yard basierte, das er als die Länge einer Pendelschwingung definierte, die mit einer Rate von eins pro Sekunde schlägt. Verschiedene Mittel wie die Kapillarwirkung (oder Kapillarität ²) und Lichtwellenlängen wurden diskutiert, aber schließlich einigte man sich auf die Bestimmung des Erdumfangs als Standardmaßeinheit.

2. Ein Phänomen, bei dem das Aufsteigen von Flüssigkeiten durch ein enges Rohr oder einen Zylinder stattfindet; der Flüssigkeitsstand in der Kapillare liegt über oder unter dem Flüssigkeitsstand außerhalb der Kapillare

So wurde das metrische System, ein System von Maßeinheiten, entwickelt. Der Meter oder das Meter, abgeleitet vom griechischen Wort „metron“, das „Maß“ bedeutet, war ursprünglich definiert als ein Zehnmillionstel der Entfernung vom Äquator zum Nordpol, gemessen durch Paris, Frankreich. Die französischen Astronomen Delambre und Méchain unternahmen eine Expedition, um die Entfernung zu messen. Am 10. Dezember 1799 trat in Frankreich das metrische System in Kraft, und der Meter wurde landesweit als Standardmaß eingeführt. Es wurden auch ein Meter lange Lineale hergestellt und an jede Stadt verteilt.

Napoleon, der einen Großteil Europas eroberte, verbreitete das metrische System im 19. Jahrhundert. Das metrische System begann, in einer breiteren Palette von Bereichen verwendet zu werden, als die Meterkonvention am 20. Mai 1875 in Frankreich von Vertretern von 17 Nationen, darunter die Vereinigten Staaten, Deutschland, Russland und Brasilien, unterzeichnet wurde.

Modifikation der Einheiten

Streng genommen ist die Erde keine perfekte Kugel, weil sie eine äquatoriale Ausbuchtung hat. Die Erde hat also einen anderen Durchmesser, wenn sie um den Äquator herum gemessen wird, als wenn sie an den Polen gemessen wird. Das bedeutet, dass sich die Länge des Meters, die auf dem Erdumfang basiert, ändern könnte. Auf der ersten Generalkonferenz für Maße und Gewichte [CGPM] im Jahr 1889 definierten Wissenschaftler die Länge eines Meters auf der Grundlage eines Zylinders aus Platin und Iridium mit hoher chemischer Stabilität.

Allerdings verändert sich ein Artefakt je nach Umgebung wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit leicht; es kann sich ausdehnen oder zusammenziehen oder oxidieren. Das metrische System ist da keine Ausnahme. Nach mehreren Untersuchungen einigten sich Wissenschaftler 1960 auf eine neue Definition des Meters unter Verwendung von Atomen.³

3. Entspricht 1.650.763,73 Wellenlängen der orange-roten Emissionslinie im Spektrum des Krypton-86-Atoms im Vakuum

Sie hörten hier nicht auf und definierten 1983 das Meter mit Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit, die sich nicht ändert. Die Definition besagt, dass das Meter die Länge des Weges ist, den das Licht im Vakuum während eines Zeitintervalls von 1/299.792.458 einer Sekunde zurücklegt. Die „Sekunde“ basiert hier auf den Schwingungen des Cäsium-133-Atoms, das sich nicht verändert.⁴ Ironischerweise ist es immer noch unmöglich, die Länge eines Meters zu bestimmen, die der neuen Definition entspricht, da ein perfektes Vakuum nicht künstlich erreicht werden kann. Zur Messung der Länge eines Meterstabes wird in wissenschaftlichen Kreisen ein Helium-Neon-Gaslaser verwendet.

4. Eine Sekunde ist die Dauer von 9.192.631.770 Schwingungen eines Cäsium-133-Atoms.

Im Internationalen Einheitensystem [SI] gibt es sieben Grundeinheiten: das Meter [m] für die Längenmessung, das Kilogramm [kg] für die Masse, die Sekunde [s] für die Zeit, das Ampere [A] für den elektrischen Strom, das Kelvin [K] für die Temperatur, das Mol [mol] für die Stoffmenge und die Candela [cd] für die Lichtstärke. Die Definitionen dieser Einheiten wurden ständig modifiziert und verändert, um zu unveränderlichen Standards zu werden, die mit dem Fortschritt in Wissenschaft und Technik Schritt halten.

Das Kilogramm war die letzte der SI-Einheiten, die durch einen physikalischen Prototyp definiert wurde, sodass es das einzige Artefakt ist, von dem die Definitionen der SI-Einheiten abhängen. Der Internationale Prototyp des Kilogramms [IPK] ist ein Zylinder aus einer Legierung von 90 % Platin und 10 % Iridium, mit einem Durchmesser und einer Höhe von 39 mm. Dieser Zylinder befindet sich unter drei schützenden Glasglocken in einer temperatur- und feuchtigkeitskontrollierten Umgebung und wird jedes Jahr vom Internationalen Büro für Maße und Gewichte in der Nähe von Paris sorgfältig überprüft.

Das Internationale Kilogrammprototyp [IPK] konnte jedoch nicht verhindern, dass es im Laufe der Zeit neu definiert wurde. Die Massendifferenz zwischen dem IPK und seinen in 23 Ländern gelagerten Kopien wurde immer größer. Im Jahr 2007 betrug der Massenunterschied zwischen dem IPK und seinen Kopien 100 µg⁵.

5. Ein Mikrogramm [µg] ist 1 Millionstel eines Gramms.

Die Generalkonferenz für Maß und Gewicht einigte sich darauf, das Kilogramm in Bezug auf die Planck-Konstante [h]⁶, eine grundlegende physikalische Konstante, neu zu definieren. Das Kilogramm, die SI-Einheit der Masse, wird definiert, indem der feste Zahlenwert der Planck-Konstante [h] als 6,62607015×10⁻³⁴ angenommen wird, wenn er in der Einheit Joule-Sekunde [J-s] ausgedrückt wird, was gleich kg-m²-s^-1 ist.

6. Das elektromagnetische Wirkungsquantum, das die Energie eines Photons mit seiner Frequenz in Beziehung setzt

Nach mehreren Jahren der Forschung mit einer Kibble-Waage – einer Konvergenz der Spitzentechnologie – wurde der Wert der Planck-Konstante festgelegt⁷. Dadurch wurde das Kilogramm auf der 26. Generalkonferenz für Maße und Gewichte am 16. November 2018 in Versailles, Frankreich, neu definiert. Dies geschah rund 130 Jahre nach der Herstellung des Internationalen Kilogrammprototyps im Jahr 1889. Ab dem 20. Mai 2019, dem Weltmetrologietag, ist die neue Definition des Kilogramms verabschiedet worden.

7. Die Planck-Konstante [h] = 6,62607015×10^-34 J-s [kg·m²/s]

Die Einheiten, die sich unabhängig von Zeit und Raum nie ändern, überall im Raum! Es gibt immer noch den Wunsch der Menschen, durch verschiedene Versuche und Forschungen unveränderliche Standards aufzustellen. Eines der beeindruckenden Dinge ist, dass sich die grundlegenden Maßstäbe von Artefakten zu natürlichen Objekten entsprechend den Fortschritten in der Wissenschaft verändert haben. Die Zeit, die als „Standard der Standards“ bekannt ist, wird auf der Grundlage von Licht definiert.

Ewige, unveränderliche Standards können nicht einfach durch menschliche Fähigkeiten bestimmt oder festgelegt werden. Nur die Naturgesetze, die Gott allen Menschen in der Schöpfung gegeben hat, sind die unveränderlichen und ewigen Maßstäbe.

Wo warst du, als ich die Erde gründete? Sage mir’s, wenn du so klug bist! Weißt du, wer ihr das Maß gesetzt hat oder wer über sie die Richtschnur gezogen hat? Hiob 38,4-5

Meinst du, dass du weißt, was Gott weiß, oder kannst du alles so vollkommen treffen wie der Allmächtige? Die Weisheit ist höher als der Himmel: was willst du tun?, tiefer als die Hölle: was kannst du wissen?, länger als die Erde und breiter als das Meer: Hiob 11,7-9

​Referenzen

Crease, Robert P. World in the Balance: The Historic Quest for an Absolute System of Measurement. New York, NY: W. W. Norton & Company, 2012.

Tadahiko, Hoshida. Stargazing Unit Story (Koreanische Ausgabe). Korea: About Book, 2016.

Kim, Il-seon. 단위로 읽는 세상 [Read the World Through Units]. Korea: Gimm-Young Publishers, 2017.