Wie lang ist ein Meter? Haben Sie schon einmal ernsthaft über diese Frage nachgedacht?

Quelle: Chinesisches Wissenschafts- und Technologiemuseum

Die Maßeinheit „Meter“ spielt in unserem täglichen Leben eine sehr wichtige Rolle. Alles, was mit Länge und Größe zu tun hat, beinhaltet „Meter“. Allerdings ist „Meter“ weder ein Produkt der Natur noch ein aus der Luft gegriffenes Konzept. Warum nennen wir es „1 Meter“, wenn es eine bestimmte Länge erreicht? Wie ist Reis entstanden?

Astronomische und geographische Vermessung

Im späten 17. Jahrhundert begann Frankreich, die Bogenlänge der Erde zu messen. Weitere wissenschaftliche Forschungen brachten neue Anforderungen an die Längeneinheiten in Messexperimenten mit sich. Die Metrologie-Gemeinschaft musste dringend einen weltweit einheitlichen Standard für Längeneinheiten festlegen.

Am 2. November 1789 wählte die französische Revolutionsregierung 15 Wissenschaftler aus, um das „Technische Beratungsbüro“ zu gründen und Forschungen zur Formulierung neuer Maßeinheiten durchzuführen.

Am 14. April 1790 beschloss das Technische Beratungsbüro schließlich, die Länge eines Bogens auf dem Meridian als Bezugspunkt für die neue Standardmaßeinheit zu verwenden. Der Meridian ist einer der „Längengrade“, die wir üblicherweise nennen. Es handelt sich um einen imaginären großen Bogen, der den Nord- und den Südpol der Erde verbindet. Der „0. Längengrad“ wird auch Nullmeridian genannt. Es handelt sich um den Längengrad, der durch die Mitte des Meridians am Greenwich-Observatorium in London, England, verläuft und als Ausgangspunkt für die Berechnung des Längengrads verwendet wird. 1 Meter entspricht einem Vierzigmillionstel des Meridianumfangs. Sie glaubten, dass sich die Länge des Erdmeridians nie ändern würde und dass jeder darauf basierende neue Standard ebenfalls ewig und unveränderlich wäre. Da die Erde der gesamten Menschheit gehört, werden gleichzeitig auch die entsprechend eingerichteten Einheiten den Menschen auf der ganzen Welt gehören.

Im Juni 1792 brachen Jean Baptiste Joseph Delambre und Pierre François André Méchain, Mitglieder der Französischen Akademie der Wissenschaften, von Paris aus in zwei entgegengesetzte Richtungen auf, um eine der größten wissenschaftlichen Entdeckungsreisen der Menschheitsgeschichte zu beginnen. Delambre war für die Vermessung der Nordstrecke von Paris nach Dünkirchen verantwortlich, während Méchain für die Vermessung der Südstrecke von Paris nach Barcelona zuständig war. Sie mussten nicht nur messen, sondern anhand der Ergebnisse auch die Bogenlänge des Meridians berechnen und so eine Grundlage für die Festlegung neuer Maßeinheiten schaffen.

Im Juni 1792 brachen Jean Baptiste Joseph Delambre und Pierre François André Méchain, Mitglieder der Französischen Akademie der Wissenschaften, von Paris aus in zwei entgegengesetzte Richtungen auf, um eine der größten wissenschaftlichen Entdeckungsreisen der Menschheitsgeschichte zu beginnen. Delambre war für die Vermessung der Nordstrecke von Paris nach Dünkirchen verantwortlich, während Méchain für die Vermessung der Südstrecke von Paris nach Barcelona zuständig war. Sie mussten nicht nur messen, sondern anhand der Ergebnisse auch die Bogenlänge des Meridians berechnen und so eine Grundlage für die Festlegung neuer Maßeinheiten schaffen.

Die Messarbeiten dauerten 7 Jahre und schließlich wurde festgelegt, dass der alte französische Maßstab 5130740 Toise als Standard gelten würde und ein Vierzigmillionstel dieser Länge der neue Längenstandard „Meter“ sein würde.

Allerdings beträgt die tatsächliche Länge vom Nordpol bis zum Äquator nach neuesten Satellitenmessungen etwa 9.980 Kilometer. Das heißt, der 1 Meter war damals tatsächlich einige Millimeter weniger als ein Vierzigmillionstel des Meridians. Auch wenn es Fehler gibt, ist die wissenschaftliche Idee, anhand von Meridianen einen einheitlichen Standard für Längenmaße festzulegen, zweifellos eine beispiellose Innovation.

Physikalische Linealmessung

Im Jahr 1798 stellten Wissenschaftler auf Grundlage der Messergebnisse ein 1 Meter langes Lineal aus reinem Platin her, dessen kleinster Maßstab 0,01 mm betrug. Am 22. Juni 1799 wurde der Herrscher im Pariser Archiv hinterlegt und als „Archival Ruler“ bezeichnet. Im Dezember desselben Jahres bestätigte die Nationalversammlung den Rechtsstatus des Archivlineals als metrisches Normal.

Doch es dauerte nicht lange, bis das Archivbüro das Problem entdeckte. Die Endflächen von Archivlinealen nutzen sich leicht ab, was die Messung erschwert. Zweitens sind die Markierungen an den Endpunkten des Feilenlineals undeutlich, was die Verwendung sehr umständlich macht.

Um dieses Problem zu lösen, fertigte das Internationale Büro für Maß und Gewicht ab 1880 31 Lineale aus einer Platin-Iridium-Legierung nach Maß an. Die Herstellung dieser Lineale dauerte weitere sieben Jahre und wurde schließlich im Jahr 1887 fertiggestellt. Zwei Jahre später, mit dem Fortschritt der Industrietechnologie, entstand in allen Ländern ein allgemeiner Bedarf an einheitlichen Einheiten. Aus diesem Grund wurde auf der Internationalen Konferenz für Maß und Gewicht im Jahr 1889 ein Lineal aus einer Platin-Iridium-Legierung mit der Nummer 6 als „ Internationaler Meterprototyp “ bezeichnet. Jedes Land, das der Meterkonvention beitritt, sollte über dasselbe Lineal verfügen und dieses regelmäßig mit dem „Internationalen Prototypmeter“ vergleichen, um die Genauigkeit der Einheit „Meter“ sicherzustellen.

Lichtwellendefinition

Allerdings weist dieser Zählerprototyp in der Anwendung noch einige Mängel auf. Erstens wird es als physisches Objekt zwangsläufig von der Umgebung beeinflusst. Zweitens wird die Genauigkeit und Präzision der Messung durch Verschleiß während des Gebrauchs erheblich beeinträchtigt. Daher stellten die Wissenschaftler ihre Forschungen auch nach dem Erscheinen des Messgeräteprototyps nicht ein. Sie suchten weiter nach einer genaueren Methode zur Definition des Meters.

Ende des 19. Jahrhunderts wurde das Michelson-Interferometer erfunden. Es war das erste Mal, dass die rote Spektralstrahlung von Cadmium zur Messung von „Metern“ verwendet wurde. Die Genauigkeit der optischen Wellenmessverfahren wurde im Vergleich zur physikalischen Messung erheblich verbessert und weist auch eine überlegene Stabilität auf. Später versuchten immer mehr Wissenschaftler, Längen mithilfe von Lichtwellen zu messen. In den späten 1950er Jahren entdeckte man, dass eine Lichtquelle mit dem Isotop Krypton-86 stabiler war. So lautete die Definition von „Meter“ im Jahr 1960: 1 Meter entspricht 1650763,73 Wellenlängen der Wellenlänge der Strahlung im Vakuum, die dem Übergang zwischen den Energieniveaus 2p10 und 5d5 des Krypton-86-Atoms entspricht.

Lichtgeschwindigkeitsmessung

Mit der Entwicklung der Zeit verbessert sich auch die Technologie ständig. In den 1960er Jahren konnte die Verwendung der Wellenlänge Krypton-86 zur Entfernungsmessung den Genauigkeitsanforderungen der wissenschaftlichen Forschung nicht mehr gerecht werden, und Laser mit guter Richtwirkung und Helligkeit rückten allmählich in das Blickfeld der Wissenschaftler. Im Jahr 1975 verabschiedete die 15. Generalkonferenz für Maß und Gewicht eine Resolution, die die Verwendung der Lichtgeschwindigkeit zur Angabe des Meters vorsah. Dies ist auch die aktuelle Definition von „Meter“: Ein Meter ist die Länge der Strecke, die Licht im Vakuum in einem Zeitintervall von 1/299792458 s zurücklegt. Da die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ein fester Wert ist, ist die Definition des Meters anhand der Lichtgeschwindigkeit theoretisch genauer und stabiler.

Gleichzeitig liegt der Vorteil der Verwendung der Lichtgeschwindigkeit zur Beschreibung des Meters darin, dass es sich nicht um eine Lichtquelle mit einer festen Wellenlänge handelt. Solange die Frequenz des Lichts bekannt ist, können Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge verwendet werden, um den Meter innerhalb unterschiedlicher Genauigkeitsbereiche zu beschreiben. Auf diese Weise muss die Definition des Zählers nicht häufig geändert werden und sein Anwendungsbereich wird erweitert. Derzeit kann man sagen, dass die Verwendung der Lichtgeschwindigkeit zur Beschreibung der grundlegenden Längeneinheit die idealste Definition ist.

Man hätte nie gedacht, dass das kleine Wort „Reis“ so viele Veränderungen durchgemacht hat. Der Prozess vom Nichts zum Etwas und vom Etwas zur Exzellenz spiegelt nicht nur das tiefe Verständnis der Menschen für die Welt wider, sondern auch den Geist der Wissenschaftler, nach der Wahrheit zu suchen. Wie lang ist 1 Meter? Haben Sie nach dem Lesen dieses Artikels die Antwort?

Kreativteam: New Media Team des China Science and Technology Museum

Gutachter: Liu Yuhang, Postdoktorand am Beijing International Center for Mathematical Research