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Maßeinheiten - Gewichtige Dinge.

Das Kilogramm und drei andere metrische Einheiten werden in Kürze neu festgelegt werden. Sie werden umdefiniert als die Werte physikalischer Konstanten.

The Economist, 15. November 2018.

Die ganze Menscheitsgeschichte hindurch war der Mensch das Maß vieler, wenn nicht aller Dinge. Längen wurden unterteilt in Fuß, Handflächen, Spannweiten und kleinere Einheiten, die von der menschlichen Hand abgeleitet wurden. Andere Maße waren ebenso idiosynkratisch. Händler des Mittelmeerraumes benutzten jahrhundertelang das Gewicht von Weizen- oder Gerstenkörnern, um ihre Maßeinheiten zu definieren. Die Libra aus Rom, Vorläufer des Pfundes, hatte 1.728 Siliqua (Karat), jeweils im Gewicht eines Samens des Johannisbrotbaumes (vielleicht weil man irrtümlicherweise annahm, dass sie in ihrer Masse weniger variabel wären, als andere Arten).

Die Größen von ähnlich benannten Einheiten konnten auch differieren. Der 'pied du roi' (Königsfuß), der in Frankreich, nach seiner Einführung durch Karl den Großen ca. 790 n.Chr., fast 1.000 Jahre lang benutzt wurde, war mit 32,5 cm ungefähr einen Zentimeter kürzer als der belgische Fuß, der in England bis 1300 benutzt wurde. Ein Talent war die Wassermasse, die nötig war, um eine Amphore zu füllen (ungefähr 28 kg), aber griechische, ägyptische und babylonische Versionen unterschieden sich um einige Kilo voneinander. Auch innerhalb der Länder gab es keine Übereinstimmung über solche Sachen. In Frankreich, wo es kein vereinheitlichtes Messsystem auf nationaler Ebene gab, war die Lage besonders fatal. Die 'Lieue' (Liga) zum Beispiel variierte von etwas mehr als 3 km im Norden bis zu fast 6 km im Süden.

Obwohl der Engländer John Wilkins als erster 1668 ein Dezimalsystem für Messungen vorschlug, waren es die Franzosen, die es 1799 voller revolutionärem Eifer zum Gesetz machten. Standards für den Meter und das Kilogramm wurden ordentlich aus massivem Platin gegossen, und während Napoleon die neuen Einheiten verspottete, entwickelte sich daraus das Système international d’unités (SI, oder metrisches System, wie es bekannter ist) und wurde in allen Ländern, außer in Myanmar, Liberia und den Vereinigten Staaten, das offizielle Messsystem. Jetzt wird das Internationale Büro für Gewichte und Maße (BIPM) in Paris das metrischen System seinem bisher größten Umbruch zuführen.

Bei einer Versammlung in Versailles am 16. November, werden die Maßeinheiten-Körper der Welt aller Wahrscheinlichkeit nach einer Resolution zustimmen, die bedeutet, dass vier von sieben Ur-Einheiten, einschließlich des Kilogramms, durch Redefinition der Werte der physikalischen Konstanten, aus den anderen drei, einschließlich des Meters, abgeleitet werden. Jede der gewählten Konstanten wurde unglaublich genau gemessen. Darüberhinaus repräsentieren sie wesentliche Merkmale des Universums, die sich erwartungsgemäß nicht verändern werden (zumindest in Bezug auf irdische Zeiträume, die die menschliche Rasse betreffen könnten). Das würde bedeuten, dass vom 20. Mai 2019 an, die Konstanten selbst für immer auf ihren derzeitigen Wert festgelegt sein werden. Jedes Labor in der Welt kann dann beispielsweise die Masse eines Objektes genauso exact messen, wie die Genauigkeit ihrer Instrumente es zulässt.

Plus ça change.

Die Neubestimmung der Zeit, in der Form der Sekunde, führte im Jahr 1967 zu der derzeitigen Revision. Anstatt die Sekunde an die Rotation der Erde um ihre Achse zu koppeln, wird die Sekunde jetzt durch das Ticken einer Cäsium-Atomuhr definiert. Dadurch gibt es innerhalb von 1,4 Millionen Jahren eine Abweichung von nicht mehr als einer Sekunde. Diese Uhr hängt von Mikrowellen ab, die bekanntlich mit einer Frequenz von 9.192.631.770 Hz Elektronen zwischen zwei speziellen Energielevels springen lassen, bekannt als der hyperfeine Grundzustand von Cäsium. Die Mikrowellen sind auf diese Frequenz abgestimmt, und die Impulse werden zur Messung einer Sekunde verwendet, genauso wie die regelmäßigen Schwingungen von Quarzkristallen zur Kalibrierung von elektronischen Uhren verwendet werden.

Die Candela, eine Einheit der Helligkeit, die ursprünglich auf der Helligkeit einer Kerzenflamme basierte, wurde 1979 neu definiert, um auf der Helligkeit einer Lichtquelle zu basieren, die Licht mit einer bestimmten Frequenz im grünen Teil des Spektrums emittiert, für das das menschliche Auge am empfindlichsten ist. Im Jahr 1983 war der Meter an der Reihe, der aufgrund der Tatsache, dass Licht mit einer festen Geschwindigkeit (299.792.458 Meter pro Sekunde) durch ein Vakuum strömt, auf diese Weise neu definiert wurde. Jetzt sind die Einheiten Masse (Kilogramm), Strom (Ampere), Temperatur (Kelvin) und die Menge eines chemischen Stoffes (Mol) an der Reihe, neu definiert zu werden, so dass auch sie theoretisch jederzeit und an jedem Ort reproduziert werden können.

Am bedeutendsten ist die Veränderung für das Kilogramm, physikalisch definiert als ein Zylinder einer Platin-Iridium-Legierung, der unter verschachtelten Glockengläsern in einem Tresorraum im BIPM in Paris untergebracht ist. Bekannt als der internationaler Proptotyp des Kilogramms - oder Le Grand K - wurde dieser 1889 hergestellt, was ungefähr der Masse des Original-Barrens aus der Napoleonischen Ära entsprach. Das Problem ist, dass die Masse von sechs offiziellen Kopien über die Jahre hinweg ein wenig von Le Grand K abwich (siehe Grafik). Warum das so ist, ist nicht bekannt, aber da die Kopien sich verändert haben, ist es wahrscheinlich, dass sich die Masse des Originals ebenfalls verändert hat. Weil Le Grand K der Standard ist an dem die Kopien gemessen werden, ist es bedeutungslos zu fragen, ob es Gewicht zugelegt oder verloren hat. Und trotz aller Sicherheitsmaßnahmen besteht die entfernte Möglichkeit, dass der Prototyp einmal gestohlen oder zerstört werden könnte, wie das Imperial Standard Pound, als im Jahre 1834 der Palace of Westminster in London niederbrannte. Es würde kein offizielles Maß geben.

Wie man es 'kibbeln' kann.

Die neue Definition des Kilo wird Le Grand K zu einem Museumsrelikt machen. Diese Rolle wird stattdessen einem Kit namens Kibble-Balance zufallen, das früher als Watt-Balance bezeichnet wurde, aber 2016 nach seinem Erfinder Bryan Kibble vom britischen National Physical Laboratory umbenannt wurde.

Die Kibble-Balance misst eine Masse durch Betrachten der Energiemenge, die benötigt wird, um ihr Gewicht durch elektromagnetische Kraft aufzuwiegen. Die Menge an Energie, die notwendig ist, um 1 kg zu messen, hängt von einem Wert ab, der als Planck-Konstante bekannt ist und mit dem Buchstaben h bezeichnet wird. Die Konstante ist eine Anzahl aus der bizarren Welt der Quantenphysik, die beispielsweise die Energie eines Lichtphotons mit seiner Frequenz verknüpft.

Um all die Kibble-Balances in der Welt zu kalibrieren, muss zuerst die Planck-Konstante durch eine bekannte Referenzmasse - wie Le Grand K - gemessen werden. Wissenschaftler aus aller Welt haben dies in einer Reihe von aufwendigen Tests durchgeführt. Dazu gehört das Platzieren einer Masse in einer Pfanne, die an einem Draht in einem so genannten Umgebungs-Magnetfeld aufgehängt ist. Sobald ein angemessener Strom durch eine mit der Pfannen verbundene Drahtspule fließt, generiert dies ein weiteres Magnetfeld, das mit dem Umgebungsfeld interagiert und eine aufwärts gerichtete Kraft erzeugt, die genau das Gewicht der Masse ausgleicht. Der durch den Draht fließende Strom ist einfach genau zu bestimmen, aber die Stärke des Umgebungs-Magnetfeldes nicht. Dies zu messen, erfordert, die Masse zu entnehmen, den Strom abzuschalten und den Draht mit einer bestimmten Geschwindigkeit durch das Umgebungsfeld zu bewegen. Diese Bewegung induziert eine Spannung über den Draht, die direkt mit der Stärke des umgebenden Magnetfeldes in Beziehung steht. Diese Spannung kann, genau wie der Strom, ganz exakt gemessen werden. Da beide mit der Planck-Konstante in Beziehung stehen, wird es Wissenschaftlern möglich sein, einen einverständlichen Wert hierfür zu finden.

Es ist geplant, dass dieser Wert am 20. Mai 2019 festgelegt wird, wonach jedes Labor mit einem Kibble-Balance-Gerät die Masse eines Objektes bestimmen kann, ohne auf Le Grand K oder seine Fast-Klone zu rekurrieren. Es liegt eine gewisse Ironie darin, dass eine Konstante aus der Quantenmechanik, die für ihr Unschärfeprinzip berühmt ist, von da an mehr Gewissheit für die Massenmessung bringt.

Ähnliche Bemühungen werden Ampere, Kelvin und Mole jeweils verknüpfen, mit der Elementar-Ladung, 'e'; der Boltzmann-Konstante, 'k' und der Avogadro-Konstante, 'N{-A}'. Wenn die Abstimmung wie geplant verläuft, werden Ihre Werte nächstes Jahr wie bei der Planck-Konstante fixiert. Diejenigen, die solche Dinge bestimmen müssen, können dann einen Strom messen, indem sie einzelne Elektronen zählen (die jeweils eine Ladung tragen, e) einen Punkt in einem Stromkreis passieren; Temperatur durch Messen der Durchschnittsgeschwindigkeit (und somit der Wärmeenergie) einer Anordnung von Molekülen; und die Menge des Materials durch Bestimmen der Anzahl der Teilchen (normalerweise Atome oder Moleküle), aus denen es besteht. Für diejenigen mit Fachwissen und Geld ist die Apparatur für die Durchführung solcher Messungen verfügbar.

Diejenigen jedoch, die auf einen mühelosen Gewichtsverlust als Ergebnis dieses Wechsels vor den Festtagen hoffen, werden enttäuscht sein. Da die Bestimmung der Planck-Konstante den Prototyp des Kilogramms benutzte, wird es keinen Unterschied geben, zwischen dem neuen und dem alten Kilo.

https://www.economist.com/science-and-technology/2018/11/17/the-kilogram-and-three-other-metric-units-are-about-to-be-revamped?frsc=dg%7Ce
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Metric units – Weighty matters.
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The kilogram and three other metric units are about to be revamped.
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They are being redefined as the values of physical constants.
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The Economist, November 15, 2018.
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Throughout much of human history, man has been the measure of many, if not all, things.
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Other measures were equally idiosyncratic.
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The sizes of similarly named units could also differ.
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Nor was there agreement on such things within countries.
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Each of the chosen constants has been measured incredibly precisely.
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Plus ça change.
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In 1967 the redefinition of time, in the form of the second, led to the current overhaul.
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This neither loses nor gains more than a second in 1.4m years.
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How to Kibble it.
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The new definition of the kilo will turn Le Grand K into a museum relic.
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This voltage, like the current, can be measured stringently.
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For those with the expertise and cash, the apparatus for making such measurements is available.
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Metric units – Weighty matters.

The kilogram and three other metric units are about to be revamped. They are being redefined as the values of physical constants.

The Economist, November 15, 2018.

Throughout much of human history, man has been the measure of many, if not all, things. Lengths were divided up into feet, palms, spans and smaller units derived from the human hand. Other measures were equally idiosyncratic. Mediterranean traders for centuries used the weight of grains of wheat or barley to define their units of mass. The Roman libra, forerunner of the pound, was 1,728 siliqua (carats), each the weight of a carob seed (possibly because they were thought, erroneously, to be less variable in mass than the seeds of other species).

The sizes of similarly named units could also differ. The pied du roi (king’s foot), used in France for nearly 1,000 years after its introduction by Charlemagne in around 790AD, was, at 32.5cm, around a centimetre shorter than the Belgic foot, used in England until 1300. The talent was the mass of water required to fill an amphora (approximately 28kg), but Greek, Egyptian and Babylonian versions varied from one another by a few kilos. Nor was there agreement on such things within countries. In France, where there was no unified measurement system at the national level, the situation was particularly dire. The lieue (league), for example, varied from just over 3km in the north to nearly 6km in the south.

Although John Wilkins, an Englishman, first proposed a decimal system of measurement in 1668, it was the French, full of revolutionary zeal, who in 1799 made it law. Standards for the metre and kilogram were duly cast in solid platinum, and while Napoleon lampooned the new units, the Système international d’unités (SI, or the metric system, as it is better known) descended from them and became the official measurement in all countries except Myanmar, Liberia and the United States. Now the International Bureau of Weights and Measures (BIPM) in Paris is set to give the metric system its biggest shake-up yet.

At a meeting in Versailles on November 16th, the world’s measurement bodies are almost certain to approve a resolution that will mean four out of the seven base SI units, including the kilogram, will follow the other three, including the metre, in being redefined in terms of the values of physical constants. Each of the chosen constants has been measured incredibly precisely. Furthermore, they represent fundamental characteristics of the universe that are not expected to change (at least on the sorts of earthly timescales likely to concern the human race). This would mean that from May 20th 2019 the constants will themselves be fixed at their current values for ever. Any laboratory in the world will then be able to measure, for example, the mass of an object as precisely as the accuracy of their equipment will allow.

Plus ça change.

In 1967 the redefinition of time, in the form of the second, led to the current overhaul. Rather than pegging the second to the rotation of the Earth about its axis, the second is now defined by the ticking of a caesium atomic clock. This neither loses nor gains more than a second in 1.4m years. This clock relies on microwaves, which at a frequency of 9,192,631,770Hz are known to make electrons jump between two particular energy levels, known as the hyperfine ground states of caesium. The microwaves are tuned to this frequency and the pulses used to measure out a second of time, just as the regular oscillations of quartz crystals are used to calibrate electronic watches.

The candela, a unit of luminosity originally based on the brightness of a candle flame, was redefined in 1979 to be based on the brightness of a source emitting light at a specific frequency in the green part of the spectrum, to which the human eye is most sensitive. In 1983 it was the turn of the metre, which by virtue of the fact that light travels at a fixed speed (299,792,458 metres per second) through a vacuum, was redefined that way. Now it is the turn of the units of mass (kilogram), current (ampere), temperature (kelvin) and the amount of a chemical substance (mole) to be redefined so that they too can, in theory, be reproduced at any time and in any place.

The change is most significant for the kilogram, physically defined by a cylinder of platinum-iridium alloy housed under nested bell jars in a vault at the BIPM in Paris. Known as the International Prototype of the Kilogram, or Le Grand K, this was made in 1889 to be of about the same mass as the original Napoleonic-era ingot. The problem is that the masses of the six official copies have drifted a little from that of Le Grand K over the years (see chart). Why that is so is not known, but since the copies have changed, it is likely that the mass of the original has, too. Because Le Grand K is the standard against which the copies are measured, it is meaningless to ask whether it has gained or lost weight. And despite all the security, there is an outside chance that should the prototype ever be stolen or destroyed, as the Imperial Standard Pound was when the Palace of Westminster in London burnt down in 1834, there would be no official measure.

How to Kibble it.

The new definition of the kilo will turn Le Grand K into a museum relic. The role will instead fall to a piece of kit called the Kibble balance, formerly known as the Watt balance, but renamed in 2016 after its inventor, Bryan Kibble of the National Physical Laboratory in Britain.

The Kibble balance measures a mass by looking at the amount of energy it takes to balance its weight using electromagnetic forces. The amount of energy required to measure 1kg will depend on a value known as the Planck constant, which is depicted by the letter h. The constant is a number from the weird world of quantum physics that, for example, links the energy of a photon of light to its frequency.

To calibrate all the Kibble balances in the world, it is necessary to first measure the Planck constant using a known reference mass, such as Le Grand K. Scientists around the world have been doing that in a series of elaborate tests. These involve placing a mass in a pan suspended on a length of wire within what is known as an ambient magnetic field. When an appropriate current is run through a coil of wire attached to the pan, it generates another magnetic field, which interacts with the ambient field to produce a force upwards that exactly balances the weight of the mass. The current flowing through the wire is easy to determine accurately, but the strength of the ambient magnetic field is not. Measuring that involves removing the mass, turning the current off and moving the coil at a fixed velocity through the ambient field. This movement induces a voltage across the wire that is directly related to the strength of the ambient magnetic field. This voltage, like the current, can be measured stringently. As both are related by the Planck constant, it will allow scientists to come up with an agreed value for it.

That value is set to be fixed on May 20th 2019, after which any lab with a Kibble balance handy will be able to determine the mass of an object without recourse to Le Grand K or its near-clones. There is a certain irony that a constant arising from quantum mechanics, famous for its uncertainty principle, will thenceforth bring more certainty to measurements of mass.

Similar efforts with the ampere, kelvin and mole will link them, respectively, to the elementary charge, e; the Boltzmann constant, k; and the Avogadro constant, N{-A}. Like the Planck constant, their values will be fixed next year if the vote in Versailles goes as planned. Those who need to determine such things can then measure a current by counting single electrons (each bearing a charge, e) passing a point in a circuit; temperature by measuring the average speed (and thus the heat energy) of an assembly of molecules; and the amount of stuff by determining the number of particles (usually atoms or molecules) composing it. For those with the expertise and cash, the apparatus for making such measurements is available.

Those hoping, however, to effortlessly shed some weight before the festive season as a result of these changes will be disappointed. As the determinations of the Planck constant used the prototype kilogram, there will be no difference between the new and old kilo.

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