Der Hüter der Masse

Was ist schwerer: Ein Kilo Steine oder ein Kilo Federn? Ein Kilo bleibt ein Kilo – oder? Das Eidgenössische Institut für Metrologie METAS in Wabern stellt sich genau diesen Fragen.

Das eidgenössische Institut für Metrologie METAS steht in Kleinwabern bei Bern, inmitten von  Feldern und Bauernhäusern. Die Wissenschaftler, die hier arbeiten, sehen die Flugzeuge in Belpmoos in den Himmel steigen, hinter dem Flughafen erstrecken sich die schneebedeckten Alpen. Auf den Wander- wegen, die unter dem Institut entlang der Aare führen, zeigen manchmal Spaziergänger mit Verwunderung auf den Backsteinturm des Instituts. Die wenigsten wissen, warum er da steht oder dass er Teil des Instituts für Metrologie ist. Vielleicht gehört er zum Flughafen, mutmassen die Leute manchmal. Vielleicht blickt von seiner Spitze aus jemand in die Sterne oder beobachtet den Wind und die Wolken. Meteorologie und Metrologie könnten dem Klang nach ein und dasselbe sein.Feldern und Bauernhäusern. Die Wissenschaftler, die hier arbeiten, sehen die Flug- zeuge in Belpmoos in den Himmel steigen, hinter dem Flughafen erstrecken sich die schneebedeckten Alpen. Auf den Wander- wegen, die unter dem Institut entlang der Aare führen, zeigen manchmal Spaziergänger mit Verwunderung auf den Backsteinturm des Instituts. Die wenigsten wissen, warum er da steht oder dass er Teil des Instituts für Metrologie ist. Vielleicht gehört er zum Flughafen, mutmassen die Leute manchmal. Vielleicht blickt von seiner Spit- ze aus jemand in die Sterne oder beobachtet den Wind und die Wolken. Meteorologie und Metrologie könnten dem Klang nach ein und dasselbe sein.

Das METAS, kurz für Metrologie und Akkreditierung Schweiz, ist ein Labyrinth aus Korridoren, Treppen, Büros und Labo- ren. Linoleumböden, hohe Fensterfronten. Einer, der sich hier zurechtfindet, ist David Lehmann. Er arbeitet seit sieben Jahren als Pressesprecher im METAS. Leichtfüssig schreitet Lehmann durch die Flure. Anzugs- hose, Sakko, Turnschuhe. Im METAS von Ort zu Ort zu kommen, kann ganz schön viel Bewegung bedeuten.

Das Museum im Untergeschoss des In- stituts ist einer von Lehmanns Lieblings- orten. Hier wird die Geschichte der Met- rologie verwahrt: Der Urmeter, ebenso eine Kopie des nationalen Urkilogramms; ein silbern glänzender Zylinder, der unter zwei Glasglocken in einem Glaskasten steht. Er wirkt fast etwas märchenhaft, wie er da auf seinem Sockel ruht.

Masseinheiten für Länge, Gewicht, Vo- lumen sind die Voraussetzungen für einen fairen Handel. Sind die Referenzgrössen ungleich, entsteht ein wirtschaftliches und damit auch ein gesellschaftliches Ungleich- gewicht: Uneinheitliche Angaben von Ge- wicht können zum Beispiel zu unfairem Handel auf dem Wochenmarkt führen. Wie überprüfen, ob die Ware zum richtigen Ge- wicht und Preis verkauft wird? Das gleiche Prinzip lässt sich auf die Steuern übertra- gen. Kein Wunder also, heisst es schon im Alten Testament: «Ihr sollt nicht unrecht handeln im Gericht mit der Elle, mit Ge- wicht, mit Mass.» Messen, das bedeutet Kontrolle. Messen bedeutet Transparenz.

1862 wurde in der Schweiz eine Eidgenössische Eichstätte eingerichtet. Bis da- hin unterschied sich das Berner Pfund vom Walliser Pfund und vom Bündner Pfund. Die Eichstätte gab allgemeingültige Referenzmasse vor und unterband Handel mit unzulässigen Massen. Auch Längenmasse wurden lange Zeit nicht einheitlich gemessen: Ein Fuss musste zum Beispiel dauernd neu bestimmt werden, denn jeder König wollte seine eigenen Füsse als Referenz fest- legen. Manchmal fing man aber auch zufällig Leute ab, die zum Beispiel gerade aus der Kirche kamen, mass ihre Füsse und verwendete den Durchschnittswert.

Vor dem Hintergrund der Industrialisierung und der Entwicklung schnellerer Verkehrsmethoden konnten Kontakte im 19. Jahrhundert immer mehr auch über weite Distanzen gepflegt werden. So wurde eine gemeinsame Grundlage für das Messen vorangetrieben; genaue Masseinheiten waren nicht nur in der Wirtschaft wichtig, sondern auch in der Wissenschaft. Am 20. Mai 1875, bis heute der «Tag des Messens», unterschrieben 17 Staaten den Internationalen Metervertrag. Mit dem Abschluss des Vertrags wurde das Internationale Büro für Mass und Gewicht, BIPM, gegründet. Die verschiedenen, nebeneinander bestehenden Masseinheiten wurden damit vereinheitlicht und eine weltweit verbindliche Basis für das Messen geschaffen.

Der «Internationale Kilogrammprototyp», wie das Urkilogramm richtig heisst, unter seinen Glasglocken auf seinem goldenen Sockel war bis 2019 das Referenzmass für die Masseinheit der Messgrösse Masse, das Kilogramm. Das Original wird seit sei- ner Einführung 1889 nicht nur unter zwei, sondern drei Glasglocken in einem Tresor des BIPM im Pavillon de Breteuil in Sèvres bei Paris aufbewahrt.

«Im Pavillon de Breteuil sitzen die Hüter der Masseinheiten», erzählt Lehmann. Metrologie-Institute auf der ganzen Welt orientieren sich am Kilo des BIPM. «Drei Leute hatten früher dafür drei Schlüssel. Einmal im Jahr kamen sie angeblich zusammen und schauten nach, ob das Kilo noch da war.» Lehmann schmunzelt.

Das Museum ist klein, doch dahinter liegt erst die wahre Welt der Metrologie. Unterirdische Korridore, dicke Betonwände, die immer gleich bleibende Temperatur von 20 Grad Celsius – ja, auch die wird hier gemessen. Das einzige Licht kommt von den LED-Lampen an der Decke. Fenster sind in die Wände eingelassen. Sie gewähren einen Blick in die Labore, auf blinkende Maschinen, auf Kabel und Computer.

Nur ein Fenster ist nicht in der Wand, sondern im Boden. Eine kreisrunde Plexiglasscheibe, auf der steht: Nationaler Bezugspunkt für Erdbeschleunigung. Im METAS wird auch die Schwerkraft der Erde, in der Physik g genannt, gemessen. «Das haben Sie bestimmt in der Schule gelernt», beginnt Lehmann seine Erklärung. Da lernt man nämlich, dass die Beschleunigung eines frei fallenden Körpers 9,81 Meter pro Sekunde im Quadrat beträgt. Im Institut für Metrologie kann diese Zahl auf acht Stellen hinter dem Komma gemessen werden. «Der Wert ändert sich je nach Wetter und Mondphasen», sagt Lehmann und muss wieder schmunzeln, weil das so «esoterisch» tönt. Aber Regen bedeutet zum Bei- spiel, dass die Strömung in der Aare stärker ist und dass der Gurten, Berns Hausberg, sich mit Wasser vollsaugt. Eine grössere, eine kleinere Masse verändert die Kommastellen hinter 9,81.

Ganz schön viele Zahlen und das viele Meter unter der Erde. Das METAS wurde vom SRF in einem Beitrag zurecht als «Institut der Genauigkeit» betitelt. «Wir nehmen es hier wirklich sehr genau», meint auch Lehmann. «Alles wollen wir bis ins letzte Detail wissen. Das ist wichtig, denn wir sind die Spitze der Genauigkeit in der Schweiz.»

Und auf diese Genauigkeit kommt es an: Die Welt, in der wir leben, wird immer schneller, die Technik immer effizienter. Unsere Handys brauchen winzige Linsen, unsere GPS-Geräte exakte Koordinaten von Standort- und Reisezielen. Wir heizen, wir kochen, wir tanken unsere Autos, wir werden beim Rasen geblitzt: Einen Alltag ohne genaue Masse gab es schon bei den alten Ägyptern kaum – heute ist er unvorstell- bar. Alles, was gezählt werden kann, wird in Wabern gezählt.

Seit November 2018 hat das Urkilogramm unter seinen drei Glasglocken seinen Wert verloren. Die Generalkonferenz für Mass und Gewicht hat es «in Pension» geschickt, so Lehmann, und eine Neudefinition des SI bestimmt.

SI ist die Abkürzung für Système International d’unités, das Internationale Einheitensystem. In diesem weltweit anerkannten Messsystem sind die sieben Basiseinheiten Kilogramm, Meter, Sekunde, Ampere, Kelvin, Mol und Candela enthalten. Sie erlauben, dass die physikalischen Eigenschaften von Objekten weltweit auf dieselbe Art und Weise gemessen und berechnet werden.

Dass das SI neudefiniert wurde, macht sich im Alltag ausserhalb des METAS nicht bemerkbar. Für die Wissenschaft bedeutet es aber eine grosse Veränderung: Das Kilo wird nun virtuell über eine Formel definiert. Lehmann rechnet kurz vor, wie das geht, bricht dann ab. «Das ist kompliziert», gibt er zu. Sowas lernt man eben nicht in der Schule. Das Praktische an der Neude- finition: Das Kilogramm ist nicht mehr an ein Artefakt gebunden, das beschädigt oder verlorengehen kann. Es ist nun überall, ob tief unter der Erde oder weit draussen auf einer Raumstation im luftleeren Raum realisierbar.

Dass das Urkilogramm in Sèvres, das einzige auf der ganzen Welt, während 130 Jahren überhaupt so beständig gleichgeblieben ist, grenzt an ein Wunder. Wie sehr sich das Gewicht des Urkilogramms mit der Zeit verändert hat, ist schwer zu sagen. Es kann nur mit seinen Kopien verglichen wer- den und da gehen die Werte zwar auseinander, aber: Ist nun das Urkilogramm schwerer geworden oder seine Kopien leichter? Jetzt, da endlich alle SI-Einheiten auf physikalischen Konstanten basieren, kann die Wissenschaft auf die Stabilität der Masse vertrauen.

Zur Feier der Pensionierung des Urkilogramms, der Neudefinierung des SI, öffnete das METAS 2019 zum ersten Mal seine Pforten für Besucher. Die durften in die Labore schauen und die glänzende Kopie des Urkilogramms bestaunen – viele wollten an dem Tag aber vor allem eines: Auf den Turm klettern. Der Turm von Wabern, ein kleines Mysterium für die Anwohner und Hundespaziergänger. Wozu ist er da? Welche Experimente werden in seiner Plexiglas-Kuppel durchgeführt? Welcher DaVinci, welcher Victor Frankenstein mag hier sein geniales Unwesen treiben? Auf die Frage zuckt Lehmann mit der Schulter und sagt dann: «Manchmal essen die Wissenschaftler hier Mittag.»

Der neunte Stock des Turms ist ganz aus Holz und Plexiglas. Nach seiner Errichtung 1967 waren auf jedem Stock Labore und Büros, zu viel Metall hätte die Experimente gestört. Heute stehen da Tische und Bänke unter der Kuppel, der achte Stock ist ein Abstellraum. Labore gibt es noch immer. Unter der Kuppel liegt ein Wasserreservoir mit 12 000 Litern Wasser, die gebraucht werden, um den Wasserzähler im Keller zu kalibrieren. Aber grundsätzlich wird der Turm genutzt, weil er da ist, aber er ist nicht da, weil er gebraucht wird. Selbst die Dachluke lässt sich nicht mehr öffnen. Ein Wes- pennest. Vom achten Stock führt eine Feuerwehrtreppe aussen am Turm nach unten. Lehmann bleibt auf dem kleinen, metallenen Vorsprung stehen, blickt auf das grüne Umfeld. «Als ich hier angefangen habe, kam ich öfter hier hoch», erinnert er sich.

Es ist Mittagszeit, die Mensa im Eingangsbereich füllt sich mit Menschen. Es riecht nach Zwiebeln und Bratensauce. Ist es nicht der Hunger, der die Wissenschaftler aus ihren Büros lockt, dann gewiss die Uhrzeit: Auch sie wird hier genau gemessen.

Im Untergeschoss steht es, das Zeitlabor. Verschiedene Atomuhren senden hier Zeitsignale nach Paris. Dort wird anhand der eingegangenen Werte von etwa 400 Atomuhren aus der ganzen Welt ein Mittelwert und so die Weltzeit berechnet. Weil die Atomuhren die Sekunde «nur» auf zehn Stellen nach dem Komma berechnen können, müssen sie in regelmässigen Abständen von einer noch genaueren Uhr justiert werden. Das passiert mit einem sogenannten Primärfrequenznormal, das die Sekunde anhand von Atomen misst. 9 Milliarden 192 Millionen 631 Tausend 770 Schwingungen in der von Atomen freigesetzten Energie entsprechen einer Sekunde.

Haben Sie gerade den Faden verloren? Das ist nicht schlimm, merken Sie sich ein- fach: Das Primärfrequenznormal kann die Sekunde auf 15 Stellen nach dem Komma genau definieren. Das ist so genau, dass es in 30 Millionen Jahren eine Sekunde vor- oder nachgehen wird. Aber das haben Sie bestimmt in der Schule gelernt.