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Messtechnik

Der Meter wird 30

| Autor/ Redakteur: Dr. Harald Schnatz, Dr. Rene Schödel / Ines Stotz

Der Meter hat einen langen Weg hinter sich. Zunächst waren viele seiner Vorgänger von den Körpermaßen regionaler Herrscher abgeleitet, erst 1875 erhielt der Meter seine allgemeine Gültigkeit und wurde schließlich am 20. Oktober 1983 neu definiert. Er war die erste Basiseinheit, die über eine fundamentale Konstante bestimmt wurde.

Die Entwicklung des Meters - vom Metallstab über die Kryptonlampe zur Geschwindigkeit von Laserlicht.
Die Entwicklung des Meters - vom Metallstab über die Kryptonlampe zur Geschwindigkeit von Laserlicht.
(Zeichnung und Foto: PTB)

Es gibt Messmethoden, die kann jedes Kind anwenden. Zum Beispiel bei Gewitter. Wenn es blitzt, wird gezählt – bis zum Donner. Die gezählten Sekunden geteilt durch 3 ergeben die Entfernung des Gewitters in Kilometern. Was hier zur Anwendung kommt, ist dasselbe Prinzip wie das der Meterdefinition, die in Kürze 30 Jahre alt werden wird. Denn der Berechnung liegt eine konstante Geschwindigkeit zugrunde, hier die Schallgeschwindigkeit (in Kilometern pro Sekunde). Die Strecke, die der Donner zurückgelegt hat, wird dann über die gemessene Zeit ermittelt.

Die Definition des Meters basiert allerdings nicht auf der Schall- sondern auf der Lichtgeschwindigkeit c von 299 792 458 Metern pro Sekunde. Entsprechend ist ein Meter die Strecke, die Licht in einer 299 792 458stel Sekunde im Vakuum zurücklegt. Dieses Prinzip wird auch bei realen Messungen angewendet, zum Beispiel bei modernen Entfernungsmessgeräten, wie man sie im Baumarkt kaufen kann. Sie sind so etwas wie eine Stoppuhr mit Laser. Sie messen die Zeit, die ein Lichtpuls vom Gerät zur Wand und zurück benötigt, und errechnen daraus den Abstand.

Die hochpräzisen Methoden der Längenmessung an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) sind jedoch etwas komplizierter.

Der lange Weg des Meters

Der Meter hat einen langen Weg hinter sich. Seine vielen Vorgänger um Elle und Fuß waren von den Körpermaßen regionaler Herrscher abgeleitet und entsprechend vielfältig.

Das älteste bekannte Längenmaß, die Nippur-Elle aus Mesopotamien, wird auf die erste Hälfte des 3. vorchristlichen Jahrtausends datiert. Sie war 51,8 cm lang. Schon damals wurden Primärnormale solcher Maße zum Beispiel aus Granit hergestellt, die der Weitergabe der Einheit für den Handel dienten.

Auch der berühmte Urmeter ist ein reales Objekt – ein Stab aus einer Edelmetall-Legierung. Doch im Geist der französischen Revolution sollte die Längeneinheit der neuen Zeit nicht mehr auf den zufälligen Körpermaßen eines Herrschers basieren, sondern auf einer überall gültigen Konstanten. Dafür wählte ein von der französischen Nationalversammlung beauftragtes Komitee den damals durch Paris verlaufenden Nullmeridian. Dessen zehnmillionster Teil auf der Strecke zwischen Nordpol und Äquator sollte den neuen Meter ausmachen. Mittels Triangulation maßen zwei Astronomen in einem aufwändigen Verfahren einen Teilabschnitt des Meridians zwischen Barcelona und Dünkirchen und ermittelten daraus die Gesamtlänge des Längengrades.

Im Dezember 1799 wurde der Meter schließlich in Platin gegossen.

Doch erst 1875 erhielt der Meter seine allgemeine Gültigkeit, zumindest in den 17 Staaten, die damals die Meterkonvention unterzeichneten.

Der Prototyp wurde 1889 durch einen stabileren Platin-Iridium-Stab ersetzt, von dem 30 Kopien angefertigt und an die Mitgliedsstaaten der Meterkonvention verteilt wurden. Ein Meter war nun der „Abstand der Mittelstriche der auf dem Urmeterstab in Sèvres angebrachten Strichgruppe bei 0 °C“.

Die Angabe der Temperatur deutet das Problem dieser Definition bereits an: Die Einheit war abhängig von äußeren Parametern wie der Temperatur. Außerdem ist ein materielles Objekt wie ein Metallstab zeitlich nicht stabil. Eine orts- und zeitunabhängige Konstante musste her. Diese fanden Metrologen in den Wellenlängen von Licht.

Die PTB-Wissenschaftler Wilhelm Kösters und Johann Engelhard entwickelten schließlich ein Messsystem und eine Kryptonlampe mit einer bis dahin unerreichten Stabilität und Reproduzierbarkeit der Wellenlänge. In der Lampe wurden Kryptonatome zu einem Elektronenübergang angeregt, bei dem rotes Licht einer genau bestimmten Wellenlänge entstand.

1960 folgte die Neudefinition des Meters als das „1 650 763,73-fache der Vakuumwellenlänge des Lichts, das von einem Krypton-86-Atom ausgesandt wird“.

Damit wurde der Meter zum „Musterknaben“ des SI-Systems, zur ersten Einheit, die auf eine atomare Konstante zurückgeführt wurde. Mit der Kryptonlampe der PTB wurde für den Meter eine Reduzierung der relativen Messunsicherheit um den Faktor 10 auf 10-8 erreicht.

Doch mit der Entdeckung des Lasers machte die Herstellung präziser Lichtquellen mit immer stabileren Wellenlängen große Sprünge und stellte so eine ständige und immer kurzschrittigere Anpassung der Meterdefinition an die technische Entwicklung in Aussicht. Darum wurde die Längeneinheit schließlich an eine unveränderliche Naturkonstante gebunden. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum wurde auf exakt 299 792 458 m/s festgelegt und der Meter am 20. Oktober 1983 von der 17. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) entsprechend über die Sekunde definiert. Seitdem gilt diese Definition über eine fundamentale Konstante als Vorbild für die anderen Einheiten des SI-Systems.

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