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Darf ich sie aufheben ?
Nur wenn Sie versprechen, dass sie sehr, sehr vorsichtig sind.
Ich verspreche, dass ich unglaublich vorsichtig sein werde. Ich werde extrem vorsichtig sein. Ich verspreche es.
Na dann, sie ist rutschig, seien Sie vorsichtig. Also, sind wir bereit ?
Ich werde gleich eine 1 kg schwere Kugel aus Silizium - 28 Atomen berühren. Sie enthält ungefähr 2.15x10^25 von ihnen.
Es fühlt sich absolut unglaublich an. Wow, das ist großartig .
Von ihren Machern abgesehen, bin ich einer aus einer handvoll Leuten, die diese Kugel jemals halten werden.
Das Rohmaterial, welches verwendet wurde um es zu erzeugen, war 1 Million Euro wert, aber jetzt wurde sie so
präzise geformt --
Wie viel ist sie wert ?
Sie ist unbezahlbar. ... Was Sie gerade ansehen ist das rundeste Objekt der Welt.
Wie können Sie so sicher sagen, dass es das rundeste Objekt ist? Ich meine, die Erde ist ziemlich rund,
ist sie nicht ? Wenn das die Erde wäre...
Wenn das die Erde wäre, dann wäre der Unterschied zwischen dem höchstem Berg und dem tiefsten Tal genau
14 Meter.
Das ist erstaunlich. Das ist erstaunlich rund.
Aber warum sollte man 1 Million Euro und tausende Arbeitsstunden verwenden, um eine polierte
Siliziumkugel zu perfektionieren ?
Nun, die Antwort ist ernst. Oder eher "grave" wie es in der Originalsprache Französisch
ausgesprochen wird.
Denn das "grave" war der ursprüngliche Name für die Grundeinheit der Masse im metrischen System,
aus dem das Systeme International d'unites, oder SI Einheiten, wurde.1793 definierte eine Kommission, an welcher
der bedeutende Wissenschaftler und Aristokrat Antoine Lavoisier teilnahm, die Grundeinheit der Masse als die Masse
eines Kubikdezimeters Wasser bei der Schmelztemperatur von Eis -- kurz gesagt, ein Liter
Eiswasser. Der Name grave kam vom Lateinischen gravitas, was Gewicht bedeuted.
Aber er sollte sich nicht durchsetzen. Er klang zu ähnlich wie der aristokratische Titel Graf
Und als die französische Revolution Fahrt aufnahm
und Forderungen nach der Gleichheit aller laut wurden, konnte eine Einheit nicht edler als die andere sein.
Daran verlor Lavoisier seinen Kopf, wortwörtlich, nicht weil er half eines
der besten Messsysteme aller Zeiten zu entwickeln, sondern weil er als ein Adeliger
Steuern eintrieb.
Die Dinge waren also wirklich ernst.
Die neue republikanische Regierung glaubte, dass ein "grave" zu groß für die Dinge sei,
die sie messen wollten und so entschieden sie sich für das "gramme", welches einfach ein Tausendstel
eines "graves" ist.
Aber bald erkannten sie, dass das "gramme" zu klein war, also kehrten sie zum "grave" zurück, aber
nachdem sie es nicht so nennen konnten, führten sie das Kilogramm ein -- tausend Gramm. Und
deswegen ist von den sieben SI Einheiten das Kilogramm die einzige mit einem Präfix
in seinem Namen.
1799 wurde das Kilogramm neu definiert als die Masse von einem Liter Wasser bei 4 Grad
Celcius -- die Temperatur bei dem es am dichtesten ist. Aber Wasser selbst ist offensichtlich nicht
das sinnvollste Ding um eine Massedefinition festzulegen. Also wurde ein Platinzylinder angefertigt, welcher
die selbe Masse wie die Wasserdefinition hatte und er wurde zum Urkilogramm erklärt.
Hier ist es wichtig anzumerken, dass das Kilogramm nun nicht länger an die Masse eines
Volumens von Wasser gebunden war -- der Urkilogramm ist per definitionem DER Kilogramm.
90 Jahre später, 1889 wurde das Kilogramm zu einem Zylinder aus einer Platin- Iridium Legierung aufgewertet, jetzt
war es viel härter als das Original, sonst aber fast identisch. Und es blieb
bis heute die Definition des Kilogramms. Offiziel wird es der International
Prototype Kilogram genannt, obwohl es liebevoll als Le Grand K bezeichnet wird -- oder Big K. Oh, und es ist
in etwa so groß ...
Es ist das einzige Ding im ganzen Universum mit exakt der Masse eines Kilogramms, weil
es das Kilogramm IST. Auch ist es die einzige SI Einheit, die noch durch ein Objekt definiert ist.
Es befindet sich unter drei Glasglocken, neben sechs Schwester- Kilogramms, in einem klimatisch kontrollierten
Tresorraum, versprerrt von drei unabhängigen Schlüsseln, im Keller des Internationalen
Büro für Maß und Gewicht am Stadtrand von Paris.
Nun, wenn man in den Tresorraum einbrechen könnte und an Big K herumhantieren, dann würde man
die Definition des Kilogramms, eine Definition von der viele unserer Messungen abhängen, ändern und
so würde man die Welt in Chaos stürzen! Nicht wirklich -- aber wie würde man es jemals
erfahren, ob sich die Masse von Big K geänder hat ?
Als es das erste mal erzeugt wurde, wurden auch 40 identische Kopien angefertigt. Nun, sie waren
nicht ganz identisch- sie hatten eine Masse, die sich leicht von Big K unterschied, aber diese Abweichungen
wurden festgehalten.Danach wurden die Kopien an andere Länder rund um den Globus geschickt, um als
nationale Richtlinien zu dienen.
1948 wurden die Kopien für einen Abgleich wiedervereint. Und da begannen die Probleme.
Obwohl alle Zylinder aus der selben Legierung gefertigt worden waren und unter mehr oder weniger identen
Umständen gelagert wurden, hatten sich ihre Massen unterschiedlich verändert. Die Masse von Big K war nicht mal
die selbe wie die der sechs Zylinder, mit denen es gelagert wurde. Und um alles noch zu verschlimmern, als sie
40 Jahre später erneut vereint wurden, hatten sich ihre Massen weiter auseinanderverändert, um bis zu 50 Mikrogramm.
50 Mikrogramm - das ist in etwa das Gewicht eines Finderabdrucks. Aber Fingerabdrücke waren
nicht die Schuldigen, da die Kilogramms vor dem Vergleich sorgfältig gewaschen wurden.
Also mussten physikalische Prozesse die Masse der Zylinder verändert haben, aber wie das
genau funktioniert ist immer noch Spekulation Eines ist sicher, die Masse eines Platin- Iridium
Zylinders ist nicht stabil mit der Zeit. Und das ist ein großes Problem. Man kann keine Einheit haben,
die ihren Wert ändert. Und die Auswirkungen sind nicht auf die Messung der Masse begrenzt,
da von den sieben SI Einheiten, vier von der Masse des Kilogramms abhängen,
ganz abgesehen von den abgeleiteten Einheiten wie Newtons, Joules, Volts und Watts.
Alle von euch in Ländern, die das metrische System noch nicht übernommen haben -- ja, ich meine euch Liberia, Myanmar
und die USA-- die sich jetzt eingebildetet vorkommenen, dass ihr Masseeinheit
der Avoirdupois- Pfund, nicht durch ein Objekt definiert ist. Nein, er ist stattdessen
als genau 0.45359237 Kilogramm
definiert.
Es muss also eindeutig etwas gegen die Abhängigkeit des Kilogramms von einem physikalischen Objekt unternommen werden
und genau da kommt die Siliziumkugel ins Spiel, aber zu was nützt sie ?
Hier ist ein physikalischen Objekt und es ist perfekt, aber es ist immer noch ein physikalisches Objekt.
Man versucht davon wegzukommen. Wir versuchen vom physikalische Objekt wegzukommen,
aber was wir mit diesem speziellen Objekt machen, ist, dass wir zählen wie viele Atome sich darin befinden.
Man kann nicht wirklich zählen wie viele da drinnen sind, kann man ?
Man kann nicht zählen, wie viele sich darin befinden, aber man kann es berrechnen, weil
dieses Material Silizium ist, darin sind keine Löcher oder Unregelmäßigkeiten.
Es ist also ein perfekter Siliziumkristall. Ganz genau.
Es ist nicht nur reines Silizium, es enthält sogar nur ein Siliziumisotop, und das
erklärt warum das Ausgangsmaterial so teuer war.
Und warum eine Kugel ? Tja, eine Kugel ist ein einfaches Objekt.
Wenn man den Durchmesser der Kugel kennt, dann kann man die gesamten Ausmaße des Objektes
definieren. Das erklärt warum die Kugel
das rundeste jemals gefertigte Objekt ist, aber wie macht man eigentlich etwas derart rund ?
Wir beginnen mit einer zu großen Kugel. Sie hatte also einen um zwei Millimeter größeren
Durchmesser und dann bearbeiten wir sie mit Hilfe eines Schleifmittels immer genauer. Wir massieren
mehr oder weniger Atome. Wir versuchen auf atomarer Ebene die
Form der Kugel zu kontrollieren. Aber die Kugel zu machen ist nur die halbe Miete,
dann muss man noch den Durchmesser genauestens messen. Der Durchmesser wird von einem Laser bestimmt.
Man misst die Kugel also indem man sie in einem Hohlraum platziert und ein Laser
beide Seiten abtastet und man die Lücke misst.
Wenn man dem Durchmesser kennt, kann man das Volumen bestimmen. Und nachdem die Plätze der Atome
in Silizium sehr präzise bekannt sind, kann man errechnen aus wie vielen Atomen die Kugel besteht.
Das macht es möglich Avogadros Konstante neu zu definieren. Bis jetzt ist Avogadros Konstante auf Basis des
Kilogramms definiert. Sie entspricht der Menge an Atomen, die in zwölf Gramm Kohlenstoff 12
enthalten sind. Aber diese Vorgehensweise würde die Anzahl der Siliziumatome in der Kugel verwenden, um
Avogadros Konstante zu präzisieren, welche dann das Kilgramm definieren könnte.
Also selbst wenn die Siliziumkugel verloren ginge oder zerstört würde, gäbe es keine Auswirkung auf die Definition
des Kilogramms denn es wäre nicht mehr durch ein Objekt definiert, sonder durch ein Konzept.
Um die offizielle Definition eines Kilogramms zu erfahren würde man etwa sagen "ein Kilogramm ist die Masse
von 2.15x10^25 Silizium-28 Atomen." Ja.
Wird es so sein ? Es ist wahrscheinlich, sehr wahrscheinlich,
dass es so sein wird. Aber es gibt noch eine andere Möglichkeit zur Neudefinierung
des Kilogramms, welche damit zu tun hat das Planck'sche Wirkungsquantum zu bestimmen und sie macht begrauch von einer sogenannten
Watt Waage. Diese zwei Herangehensweisen sind komplementär. Jede überprüft die andere, und
wenn sie eine gute Übereinstimmung zeigen und ihre Ungenauigkeit auf 20 Mikrogramm senken
können, dann könnten sie bis 2014 das Kilogramm neu definiern. Und dann wäre das Kilogramm schließlich
eine unveränderbare Einheit, welches nicht länger durch ein Objekt in einem Kellertresor irgendwo
in Paris definiert ist. Wenn das Kilogramm ursprünglich als übersetzt von Clemens Jakubec
die Masse von einem Liter Wasser bei seiner dichtesten Temperatur festgelegt war, wie gut haben wir uns dann geschlagen ?
Wenn man sich einen Liter Wasser bei 4 Grad Celsius ansieht, dann hat es exakt die Masse von 999.975
Gramm. Ich glaube also, dass man es auf zwei Arten betrachten kann. Einerseits könnte man sagen, dass das Kilogramm
etwas schwerer ist als es sein sollte, aber andererseits waren Wissenschaftler vor 214 Jahren in der Lage
ein Objekt zu schaffen das mit der Abweichung der Masse eines Reiskorns korrekt war.
Das ist wirklich erstaunlcih. Wenn ihr mehr über die Watt Waage hören wollt, lasst es
mich in den Kommentaren wissen und ich werde sehen was ich tun kann. Sie scheint die beste Möglichkeit zu sein,
um das Kilogramm neu zu definieren, also werden wir abwarten müssen was passiert. Eine
letzte Sache, ich will darauf hinweisen, dass eine internationales Team von Wissenschaftler nötig war
um eine Siliziumkugel herzustellen, aber glaubt ihr nicht, dass einige der Wissenschaftler, die Silizium zuerst beschrieben
einen Teil des Ruhms verdienen ? Nun, 1787 wurde das von niemand anderem als
als Antoine Lavoisier erreicht. Er war also in die Definition des Kilogramms vom
Start bis zum Ende, oder von der Wiege bis in Grab, verwickelt.