Ein Forscherteam um Richard Steiner vom National Institute of Standards and Technology in Gaithersburg (NIST) will das Urkilogramm, das im Internationalen Büro für Maße und Gewichte (BIPM) bei Paris aufbewahrt wird und als Standard für die Maßeinheit der Masse gilt, möglichst bald überflüssig machen. Dazu haben die Wissenschaftler eine haushohe, aber dennoch hochpräzis arbeitende Watt-Waage konstruiert.

Damit lassen sich Gewichte ausbalancieren, in dem sie in einem supraleitenden Spulenkörper eine elektrische Spannung und somit einen Stromfluss und eine Gegenkraft induzieren. Misst man nun die Spannung mit Hilfe des Josephson-Effekts und den Widerstand mit Hilfe des Quanten-Hall-Effekts, so lässt sich daraus eine elektrische Leistung errechnen, die proportional zur Planck-Konstante h ist. Den Wissenschaftlern des NIST gelang daher vor einigen Jahren bereits, die genaueste Bestimmung dieser quantenmechanisch wichtigen Größe.

Zudem lässt sich aus der gemessenen elektrischen Leistung bei bekannter Geschwindigkeit, mit der die Waage ihr Gleichgewicht zusteuert, und der Gravitationskonstanten g die Masse eines Körpers exakt bestimmen. Wird beispielsweise die Geschwindigkeit – wie in der aktuellen Versuchsanordnung von Steiner und seinem Team – mit einer Atomuhr gemessen und die zurückgelegte Strecke der Waagschale mit einem Laser, so lässt sich die zu bestimmende Masse auf der Watt-Waage ausschließlich unter Verwendung von Naturkonstanten ermitteln.

Damit verlöre das Kilogramm seine Sonderstellung im internationalen SI-Einheitensystem: Es ist bisher die einzige der insgesamt sieben Referenzgrößen, die durch einen Gegenstand definiert ist. Alle anderen – das Meter als Längenmaß, die Sekunde für die Zeit, das Ampere als Maßeinheit für den elektrischen Strom, das Kelvin für die Temperatur, das Mol als Basiseinheit der Stoffmenge sowie das Candela als Maß der Lichtstärke – sind durch Naturkonstanten festgelegt und damit jederzeit reproduzierbar. Beim Urkilogramm vermutet man dagegen, dass es im Laufe der Zeit etwas an Gewicht eingebüßt hat.

Die Wissenschaftler des NIST sprechen sich daher dafür aus, den Zahlenwert der Planck-Konstanten – so wie bei der Lichtgeschwindigkeit geschehen – auf einen bestimmten Wert festzulegen, um so das Kilogramm neu zu definieren. Doch dazu wollen sie zunächst ein noch präziseres Instrument bauen.