Letzten November versammelte sich in einem Konferenzraum in Bern eine Gruppe von Wissenschaftern aus Europa und den USA, um sich mit einem höchst peinlichen Problem zu beschäftigen. Manche von den rund 20 Personen, die an dem hufeisenförmigen Tisch Platz nahmen, hatten während ihrer gesamten beruflichen Laufbahn mit diesem Problem gerungen. Einige waren zu der Überzeugung gelangt, dass sie seine Lösung vor ihrer Pensionierung nicht mehr erleben würden. Dennoch war unter den meisten Anwesenden die Zuversicht zu spüren, dass es ihnen nun, nach vielen mühevollen Jahren, endlich gelingen werde, die Wissenschaft von einem demütigenden kleinen Geheimnis zu befreien: dass keiner weiss, wie viel ein Kilo wirklich wiegt.
Natürlich weiss jeder ungefähr, was ein Kilo wiegt: so viel wie ein Blumenkohl oder ein Liter Bier oder eine dicke Bibel. Aber das reicht den Wissenschaftern, die es gerne etwas genauer hätten, nicht aus. Seit über 200 Jahren arbeiten sie an der Normierung der Eigenschaften von Materie: ihrer Grösse, Menge, Temperatur, ja sogar ihrer Helligkeit. Und für alle Eigenschaften haben sie eine perfekte, universelle Norm gefunden – für alle ausser einer einzigen, die dummerweise zugleich die wichtigste von allen ist: Masse.
Wer die Länge eines Meters wissen will, dem antworten die Wissenschafter seit 1983: Ein Meter ist die Distanz, die Licht während eines Zeitintervalls von einer 299 792 458stel Sekunde in einem Vakuum durchläuft. Für die Dauer einer Sekunde gibt es auch eine präzise Definition: Eine Sekunde ist die Zeit, die eine bestimmte Strahlung eines Cäsium-133-Atoms für 9 192 631 770 Schwingungen benötigt.
Wenn man nach der Definition eines Kilogramms fragt, fällt die Antwort weniger imposant aus. Keine Bezugnahme auf kosmische Vorstellungen wie Lichtstrahlen in einem Vakuum, keine langen Zahlenreihen. Nein, seit 1901 wird das Kilogramm (ursprünglich die Masse eines Kubikdezimeters Wasser bei vier Grad) offiziell als die Masse eines kleinen Metallobjekts definiert, das in einem Tresor in der Nähe von Paris liegt. Dieses Objekt, das als der Internationale Kilogrammprototyp bekannt ist, hat die Form eines 40 Millimeter hohen Zylinders, der 1889 aus einer Legierung aus Platin und Iridium hergestellt wurde und im Bureau international des poids et mesures (BIPM) in Sèvres aufbewahrt wird. Das Tönnchen, das von mehreren Glasglocken umschlossen wird, besitzt seine eigene, enigmatische Schönheit und ausserdem die besondere Ehre, das einzig wahre Kilogramm im ganzen Universum zu sein.
Aber die Ehre hat ihren Preis. Denn sobald jemand das Ding fallen liesse, verlöre, stähle oder auch nur berührte, wäre es mit den Weihen des einzig wahren Kilogramms für immer vorbei. Es überrascht daher nicht, dass unter normalen Umständen niemand auch nur in die Nähe des Urkilogramms gelassen wird. Stattdessen müssen sich die Wissenschafter mit rund 80 Kopien begnügen, die im Lauf der letzten hundert Jahre angefertigt wurden. Alle paar Jahrzehnte werden die Kopien zusammengetragen und mit dem internationalen Prototyp verglichen, um sicherzustellen, dass ihr Gewicht noch stimmt. Der letzte Vergleich fand in den 1980ern statt und förderte eine beunruhigende Erkenntnis zutage: Einige der Kopien hatten auf rätselhafte Weise seit der letzten Überprüfung in den 1940er Jahren an Gewicht zugelegt. Die Gewichtszunahme betrug zwar nur etwa ein zwanzigmillionstel Gramm, aber niemand konnte sie erklären.
Noch beunruhigender war jedoch der Gedanke, dass auch der internationale Prototyp selbst an Gewicht zugenommen haben könnte. Denn da seine Masse zur Definition des Kilogramms dient, darf sie sich nicht verändern. Wenn sie es dennoch täte, hätten wir ein Paradox: eine feststehende Norm, die sich fortlaufend änderte! Und dieses Paradox macht zugleich deutlich, warum im Grunde niemand genau weiss, wie viel ein Kilogramm wiegt.
Die Wissenschafter, die sich im November 2004 in Bern versammelten, sind alle federführend an der Beseitigung dieses Missstands beteiligt. Sie trafen sich im Bundesamt für Metrologie und Akkreditierung (Metas), um über die letzten Fortschritte in den dreissigjährigen Bemühungen, den glänzenden Zylinder von Sèvres überflüssig zu machen, zu diskutieren. Er soll durch ein neues Standardkilogramm ersetzt werden, das, zumindest prinzipiell, von jedem und überall hergestellt werden kann und das sich niemals ändert.
Aber es hat sich als äusserst schwierig erwiesen, einen vollwertigen Ersatz für jene Reliquie der Wissenschaft des 19. Jahrhunderts zu finden, wie Philippe Richard von Metas erklärt. «Die Masse des Urkilogramms lässt sich mit sehr hoher Genauigkeit messen – bis auf einen Billionstel oder sogar Zehnbillionstel genau. Als man sich seinerzeit darauf einigte, hat man ganze Arbeit geleistet.» Doch auch Richard gehörte im November zu jenen Wissenschaftern, die endlich eine brauchbare Alternative gefunden zu haben glaubten. Diese Alternative heisst Watt-Waage und wurde bereits in den 1970ern von einem Wissenschafter am National Physical Laboratory (NPL) in Teddington bei London entwickelt. Die Idee ist denkbar einfach: Man befestigt eine Masse an einem Arm einer hypergenauen Waage und bringt die beiden Arme durch Anwendung elektromagnetischer Kraft ins Gleichgewicht. Die dabei aufgewandte Leistung wird in Watt gemessen, weshalb das Gerät Watt-Waage heisst. Diese Leistung kann äusserst präzise gemessen werden. Vor allem jedoch kann sie unter Bezug auf andere grundlegende Grössen des Universums wie etwa die ebenfalls sehr präzise bestimmbare Plancksche Konstante ausgedrückt werden. Ein Kilogramm wird dann als jene Masse definiert, die auf der Watt-Waage für die Plancksche Konstante den richtigen Wert anzeigt. Mit dieser Definition kann jeder überall sein eigenes, perfektes unveränderliches Kilogramm herstellen, vorausgesetzt, er verfügt über die nötigen Gerätschaften.
Doch leider ist die Sache nicht ganz so einfach. In der Praxis erweist sich die Watt-Waage als ein verblüffend kompliziertes Instrument, das mit grosser Präzision eine ganze Reihe von Grössen gleichzeitig messen muss. Der Prototyp, der im NPL in England gebaut wurde, erwies sich als so launisch, dass seine Messungen sogar von den Meeresgezeiten beziehungsweise Mondphasen beeinflusst wurden. «Wir sind dabei, das Gerät zu ersetzen», erklärt der zuständige NPL-Forschungsgruppenleiter Stuart Davidson mit spürbarer Erleichterung. «Im Augenblick weiss nur eine einzige Person, wie man die Waage bedient, und wenn diese Person uns verliesse, hätten wir ein echtes Problem.»
Die Teilnehmer an dem Treffen in Bern waren sich nur allzu klar bewusst, welcher Herausforderung sie gegenüberstehen. Die Watt-Waage soll so präzis arbeiten, als messe man die Entfernung zwischen Los Angeles und Zürich bis auf den letzten Millimeter. Auch die staatlichen Normierungsbehörden in den USA und Frankreich, ja sogar das BIPM in Sèvres sind mittlerweile so von der Technik überzeugt, dass sie ihre eigenen Watt-Waagen zu bauen begonnen haben.
«Wir machen alle spürbare Fortschritte», sagte Ian Robinson vom NPL, der ebenfalls an dem Treffen teilnahm (und der, nebenbei bemerkt, jene einzige Person ist, die die Watt-Waage in Teddington bedienen kann). «Es sieht immer noch sehr vielversprechend aus.» Damit meinte er, dass eine reelle Chance besteht, die Watt-Waage so zu perfektionieren, dass sie routinemässig die nötige Präzision erreicht, um das Urkilogramm überflüssig zu machen. Die Wissenschafter haben sich der erforderlichen Genauigkeit bis auf den Faktor zehn angenähert und könnten ihr Ziel innert der nächsten zehn Jahre erreichen.
Aber ist das wirklich wichtig? Müssen wir die Masse eines Kilogramms wirklich mit solcher Präzision bestimmen können? Müssen wir wissen, wie viele Millimeter Los Angeles von Zürich entfernt liegt? Die beteiligten Wissenschafter geben bereitwillig zu, dass es uns nicht dabei helfen wird, einen Streit mit dem Gemüsehändler über die Korrektheit seiner Waage zu schlichten. Aber die Welt verdiene das beste Masssystem, zu dem die Wissenschaft fähig sei – und ein Metalltönnchen unter einer Käseglocke in einem Tresor habe darin nichts verloren. «Was uns wirklich antreibt», gibt Stuart Davidson vom NPL zu, «ist der Wunsch nach Eleganz.»
Doch wer je den Prototyp der Watt-Waage mit eigenen Augen gesehen hat, dürfte ihn kaum als elegant beschreiben. Es muss mit Sicherheit eine einfachere Möglichkeit geben, das Kilogramm zu definieren. Im Laufe der Jahre haben sich die Wissenschafter denn auch mehrere Alternativen ausgedacht, so etwa die Definition von Masse durch die Anzahl von Siliziumatomen in einer aus reinem Silizium gefertigten Kugel oder durch die Anzahl elektrisch geladener Teilchen, die in einem bestimmten Metallgefäss eingefangen werden. Aber keine dieser Alternativen hat sich als so vielversprechend erwiesen wie die Watt-Waage.
Trotzdem argwöhnt Ian Davidson manchmal, dass er und seine Kollegen eine wirklich pfiffige Methode übersehen haben könnten. Und daher endet die Website des NPL, auf der uns die Schwierigkeiten der Watt-Waage auseinandergesetzt werden, mit dem schlichten Aufruf: «Falls Sie eine bessere Idee haben, Postkarte genügt.»
Robert Matthews ist Wissenschaftsjournalist. Er lebt in Oxford, England.