Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) Der Meter wird 30

Die Entwicklung des Meters – vom Metallstab über die Kryptonlampe (links) zur Geschwindigkeit von Laserlicht (rechts)
Die Entwicklung des Meters – vom Metallstab über die Kryptonlampe (links) zur Geschwindigkeit von Laserlicht (rechts)

Am 20. Oktober 1983 wurde der Meter neu definiert. Er war die erste Basiseinheit, die über eine fundamentale Konstante bestimmt wurde. Werfen wir einen Blick auf die bewegte Geschichte der Maßeinheit.

Die Definition des Meters basiert auf der Lichtgeschwindigkeit c von 299.792.458 Metern pro Sekunde. Entsprechend ist ein Meter die Strecke, die Licht in einer 299.792.458-stel 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.

Die Geschichte 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 Zentimeter 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.

Die Messung der Länge

Die naheliegendste Anwendung dieser Definition ist die Längenmessung über die Zeit. So kann beispielsweise der Abstand des Mondes von der Erde zentimetergenau mit Hilfe von Laserimpulsen gemessen werden, die von Spiegeln auf der Mondoberfläche reflektiert werden. Auch die Satellitennavigation basiert auf der Abstandsmessung über die Laufzeit elektromagnetischer Wellen. Dieses Verfahren eignet sich vor allem bei großen Entfernungen. Im Kleinen stößt sie aber an ihre Grenzen.

Frequenzmessung

Um auch bei kleinen Längen hohe Genauigkeit zu erreichen, werden in der PTB zur Längenmessung genau bekannte Wellenlängen verwendet. Diese lassen sich aus der Frequenz einer Strahlung ableiten, da die Lichtgeschwindigkeit das Produkt aus Wellenlänge und Frequenz ist. Ist also die Frequenz einer Strahlung bekannt, lässt sich die Wellenlänge leicht errechnen. In der PTB dienen Laser mit stabilen Frequenzen als sogenannte Wellenlängennormale. Was im Prinzip einfach klingt, ist jedoch technisch ausgesprochen komplex und anspruchsvoll. In der PTB beschäftigt sich der Fachbereich „Quantenoptik und Längeneinheit“ mit der Entwicklung immer stabilerer Laser, die mittlerweile Unsicherheiten von 10-15 bei Frequenzen um 429 Terahertz erreichen. Die exakte Bestimmung derart hoher Frequenzen mit Hilfe laserbasierter Frequenzkämme stellt eine enorme technische Herausforderung dar.

Interferometrie

Lichtgeschwindigkeit, frequenzstabile Laser, Wellenlängennormale – all dies sind Grundlagen der präzisen Längenmessung. Doch wie wird damit ein realer Gegenstand gemessen? Mit dieser Aufgabe beschäftigt sich in PTB der Fachbereich „Interferometrie an Maßverkörperungen“. Bei der Längenmessung mittels Interferometrie wird die zu bestimmende Länge mit der Wellenlänge des Lichtes eines Lasers verglichen. Das Prinzip: Die Lichtwelle des Lasers wird in zwei Teile gespalten. Diese beiden Wellen legen unterschiedlich lange Strecken zurück, bevor sie von Spiegeln reflektiert werden. Der Abstand der beiden Spiegel voneinander entspricht der Länge des Messobjekts. Nach der Reflexion der nun phasenverschobenen Lichtwellen an den Spiegeln werden die Wellen wieder zusammengeführt, und es kommt zur Interferenz, also zur Überlagerung von Wellenbergen und -tälern. Diese Überlagerung kann in einem Muster von hellen und dunklen Streifen (Interferenzmuster) dargestellt werden, wobei der Abstand zweier aufeinander folgender heller Streifen der Hälfte der zu bestimmenden Wellenlänge des Lichtes entspricht. Über die Anzahl der Streifen kann so die Länge des Objekts ermittelt werden.

In der Realität spielen noch jede Menge weitere Faktoren wie Temperatur, Druck, Oberflächenbeschaffenheit des Messobjekts und vor allem der Brechungsindex der Luft eine Rolle. Trotz der oben beschriebenen Frequenzstabilität der Laser wird dadurch die Genauigkeit einer Längenmessung stark beeinflusst. Trotzdem kann die Länge von Bezugsnormalen mit Hilfe eines in der PTB entwickelten Ultrapräzisions-Interferometers auf unter einen Nanometer genau gemessen werden. Mit diesen Bezugsnormalen können anschließend andere Objekte verglichen werden. Damit dienen sie den Kunden der PTB als eine Art ultrapräziser Meterstab.