Der Meter hat Geburtstag 18.10.2013, 07:03 Uhr

Langer Weg zur hoch präzisen Längenmessung per Laser

Lichtgeschwindigkeit und Atomuhren sorgen für eine extrem genaue Festlegung der Länge eines Meters. Genau vor 30 Jahren, am 20. Oktober 1983, beschloss die Weltgemeinschaft die aktuelle Definition des Meters, die damit den Urmeter ablöste.

Ein historischer Standard-Meter aus dem 18. Jahrhundert vom französischen Architekten Jean Chalgrin, eingelassen in eine Hauswand in der Rue de Vaugirard in Paris. Chalgrin schuf auch den Triumphbogen in Paris.

Ein historischer Standard-Meter aus dem 18. Jahrhundert vom französischen Architekten Jean Chalgrin, eingelassen in eine Hauswand in der Rue de Vaugirard in Paris. Chalgrin schuf auch den Triumphbogen in Paris.

Foto: Wikimedia/LPLT

Die meisten Airbus-Flugzeuge werden in Toulouse zusammengebaut. Die Bauteile, etwa komplette Leitwerke oder Kabinensegmente, kommen aus verschiedenen Ländern Europas. Dass es beim Zusammenbau keine Probleme gibt, liegt daran, dass alle beteiligten Unternehmen auf den Bruchteil eines Millimeters genau messen und fertigen.

Diese hohe Präzision beruht auf einer Definition der Länge eines Meters, die vor genau 30 Jahren weltweit anerkannt wurde. Sie basiert auf der Lichtgeschwindigkeit und ist die Krönung einer Entwicklung, die im Laufe der französischen Revolution begann.

Zur Festlegung des Meters wählte ein von der französischen Nationalversammlung beauftragtes Komitee den damals durch Paris verlaufenden Nullmeridian, berichten die beiden Forscher Dr. Harald Schnatz und Dr. Rene Schödel von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Dessen zehnmillionster Teil auf der Strecke zwischen Nordpol und Äquator sollte den neuen Meter ausmachen. Mittels Triangulation maßen zwei Astronomen in einem aufwändigen Verfahren einen Teilabschnitt des Meridians zwischen Barcelona und Dünkirchen und ermittelten daraus die Gesamtlänge des Längengrades.

Messung eines Meters durch Laserlicht in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig.

Messung eines Meters durch Laserlicht in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig.

Foto: PTB

1799 wurde dieser Urmeter aus Platin gegossen, 90 Jahre später aus einer stabileren Platin-Iridium-Legierung. Der Meter löste eine Vielzahl von Längenmaßen aus dem Mittelalter ab, etwa die Elle oder den Fuß, die auf zufälligen Körpereigenschaften basierten. 1875 hatten erst 17 Staaten den Meter als Längenmaß eingeführt, der offiziell als  „Abstand der Mittelstriche der auf dem Urmeterstab in Sèvres angebrachten Strichgruppe bei Null Grad Celsius“ festgelegt war.

„Null Grad Celsius“, das war der Schwachpunkt. Im Winter ist der so festgelegte Meter kürzer als im Sommer, in der Sahara ist er stets länger als im ewigen Eis Sibiriens. Ein Airbus ließe sich mit der alten Längendefinition nicht bauen.

1960 führten die Metrologen Wilhelm Kösters und Johann Engelhard von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig eine neue Definition ein, die den Meter ortsunabhängig machte. Sie bauten eine Lampe, in der – wie in einer Leuchtstoffröhre – Atome angeregt werden, sodass sie leuchten. Die PTB-Experten wählten das Edelgas Krypton aus, das Licht mit einer bestimmten unveränderlichen Wellenlänge aussandte. Die neue Definition des Meters lautete so: Er entspricht dem „1650763,73-fachen der Vakuumwellenlänge des Lichts, das von einem Krypton-86-Atom ausgesandt wird“. Das gilt nicht nur bei einer bestimmten Temperatur, sondern generell. Außerdem ließ sich mit dieser Methode eine zehnmal höhere Messegenauigkeit erreichen.

Der Meter wird heute vor allem per Licht gemessen

Das würde für den Bau des Airbus genügen, nicht aber für die Ausrichtung der Elemente eines Beschleunigerrings für Elektronen oder Protonen. Da kommt es auf tausendstel Millimeter und weniger an. Diese Präzision lässt sich mit der heute gültigen Meter-Definition erreichen, die am 20. Oktober 1983 festgelegt wurde. Grundlage ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, die mit 299792458 Meter pro Sekunde ermittelt wurde. Die Zeitkonstante lieferten extrem präzise Atomuhren.

Mittlerweile ist die Laufzeit des Lichts die wichtigste Basis für Längenmessungen. Nicht nur Profis benutzen sie, sondern auch Hand- und Heimwerker. Laser-Zollstöcke senden einen Lichtblitz aus und ermitteln die Zeit, die er benötigt, um von der angepeilten gegenüberliegenden Wand zurück ins Messgerät zu gelangen. Aus dieser Laufzeit errechnet es die Entfernung, mindestens millimetergenau.

Selbst die jeweils aktuelle Entfernung zwischen Erde und Mond, die zwischen  363300 und 405500 Kilometer schwankt , lässt sich mit einer verfeinerten Version des Laser-Zollstocks messen. Auf der Mondoberfläche eigens installierte Spiegel schleudern einen Laserblitz zur Erde zurück. Aus der Laufzeit ergibt sich die Entfernung.

Von Wolfgang Kempkens

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