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Die Atomuhr definiert die Zeit

Die neuen Definitionen der Einheiten des Systems International bauen aufeinander auf und die Definition der Sekunde bildet den Anfang. Definiert wird die Zeit nun über die Funktionsweise einer Atomuhr, in der Mikrowellen einer genau bestimmbaren Frequenz von Caesium-133-Atomen absorbiert werden. Zur Definition der Sekunde wurde schlicht festgelegt, dass diese Frequenz exakt 9.192.631.770 Schwingungen pro Sekunde entspricht. Alle anderen Zeitmessungen müssen mit diesem Standard verglichen werden.

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Das Ganze funktioniert, weil elektrisch neutrale Caesium-133-Atome überall im Universum identisch und relativ leicht beschaffbar sind. Der Effekt kommt durch den Übergang eines Elektrons in der Außenschale des Atoms zwischen zwei Zuständen zustande. Dieser Übergang erfordert eine genaue Menge an Energie und kann nur durch Mikrowellen einer bestimmten Frequenz erzwungen werden. Verantwortlich ist dafür die Hyperfeinstruktur der Zustände der Elektronen.

Der Hyperfeinstruktur entsteht, weil Elektronen ähnlich einer Kompassnadel ein magnetisches Moment haben, den Elektronenspin. Allerdings kann der Elektronenspin nur zwei Zustände haben. Der Elektronenspin hätte allein keinerlei Auswirkungen, wenn sich das Elektron nicht in einem Magnetfeld befände. Aber in diesem Fall befindet es sich im genau definierten Magnetfeld, das vom Atomkern eines Caesium-133-Atoms selbst erzeugt wird. Der Elektronenspin kann sich ändern, wenn die exakte dafür nötige Energiemenge von Mikrowellen bereitgestellt wird, genau genommen Mikrowellen mit exakt 9.192.631.770 Schwingungen pro Sekunde.

Lichtgeschwindigkeit definiert den Meter, nicht umgekehrt

Um den Meter zu definieren, wird eine Länge in der Natur benötigt, die präzise messbar und ohne weitere Annahmen überall gleich ist. Deswegen wird der Meter über die Lichtgeschwindigkeit definiert. Die Messung der Lichtgeschwindigkeit wird also umgekehrt. Anstatt zu messen, wie viele Meter sich Licht in einer Sekunde ausbreitet, wird der Meter definiert, indem gesagt wird, dass sich Licht pro Sekunde um 299.792.458 Meter ausbreitet. Das bedeutet allerdings, dass künftig die magnetische Permeabilität des Vakuums, aus der sich die Lichtgeschwindigkeit berechnen lässt, experimentell bestimmt werden muss. Zuvor war sie festgelegt.

Eine genauere Messung der Lichtgeschwindigkeit verändert ab Mai 2019 also nicht mehr die Lichtgeschwindigkeit, sondern die Definition des Meters, der magnetischen Permeabilität des Vakuums und aller anderen Einheiten, die darüber definiert werden. Solange bei allen Messungen Einsteins Relativitätstheorie beachtet und die gesamte Messung von einem feststehenden Messsystem vorgenommen wird, werden diese Messungen überall zu vergleichbaren Standards führen.

Masse ist pure Energie

Die neue Definition des Kilogramms, ohne etwas anderes als Meter und Sekunden messen zu können, verdanken wir der Untersuchung des Lichts durch Max Planck. Denn Licht kann allein mit Metern und Sekunden beschrieben werden, besteht aber aus Teilchen mit einer bestimmten Energie, die von der Frequenz der Lichtwellen abhängt. Die nach Max Planck benannte Planck-Konstante erlaubt die Umrechnung von der Frequenz zur Energie. Die Frequenz multipliziert mit der Konstante ergibt die Energie. Die Konstante wurde festgelegt auf 6,62607015 e-34 Joulesekunden.

Über den Umweg der Energie könnte nun die Masse direkt über Einsteins berühmteste Gleichung E=mc² definiert werden. Aber das Joule, die Einheit für Energie, beinhaltet ohnehin das Kilogramm. Beispielsweise wird eine bestimmte Menge Energie benötigt, um eine bestimmte Masse auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu beschleunigen. Aus der Messung, wie viel Energie die Teilchen des Lichts besitzen, kann dann das Kilogramm errechnet werden. Es kann aber auch direkt gemessen werden, wie stark die Kraft durch den Lichtdruck eines Laserstrahls einer bestimmten Leistung ein Stück Masse beschleunigt.

 Wissenschaft: Die Neuvermessung der WeltKleine Teilchen und winzige Zahlen 
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sw2090 24. Dez 2018

Bisher war HZ 1/Sekunde. Jetzt wird aber Sekunde $schwingungen/Sekunde also Hz...

Dieter Grosch 25. Nov 2018

Jede Theorie ist immer zuerst eine Privatmeinung bis sie von mehreren anderen benutzt...

Epaminaidos 23. Nov 2018

Weil die Idee nicht gut war. Wenn überhaupt, hätte man 100 nehmen sollen. Die 400 wirkt...

Frank... 21. Nov 2018

Das ist korrekt. Auch wenn ich gestehen muss, dass ich den Roman nie gelesen habe.

DreiChinesenMit... 21. Nov 2018

Sie muss nicht durch 4 teilbar sein. 1/4 zur Basis 210 ist eine Zahl mit nur 2 zeichen...


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