Die absoluten Basisgrößen definiert man sich durch ein bestimmtes Mess­verfahren und durch eine bestimmte Einheit. Ein typisches Beispiel ist die Masse (Kilogramm) und die Zeit (Sekunde). Die Basis­einheiten werden hierbei willkürlich definiert. Die daraus resultierende absolute Einheit kann entweder ein ortsfestes Normal sein (Urmeter) oder eine Einheit, die man überall reproduzieren kann.

Betrachten wir diese beiden Einheiten einmal im Rahmen des sogenannten „SI”. Aus den absoluten Einheiten werden durch Festlegung „SI-Einheiten”, die schließlich internationale Gültigkeit haben. Die entsprechenden Basis­größen sind im vorgenannten Beispiel die „Masse” und die „Zeit”. Nehmen wir als erstes die Masse.

Hierzu verwendet man einen bestimmten „Prototyp” aus Platin-Iridium. Die Material­wahl ist bewusst gewählt, damit er nicht rostet. Wir kennen es als das Urkilogramm mit der Maßeinheit kg. Ursprünglich war dieses Urkilogramm definiert als die Masse von einem Liter Wasser bei 4°C. Auf Dauer war dies aber zu ungenau, denn das Wasser kann schließlich verdampfen. Man arbeitet gegenwärtig an einem neuen Normal, dass sich an atomaren oder molekularen Bedingungen orientiert. Leider hat es derzeit noch nicht die ausreichende Genauigkeit.

Es wäre angenehmer ein „Normal” zu haben, das überall reproduzierbar ist. Und bei der Masse geht das zurzeit noch nicht. Gemessen wird heute dennoch mittels präzisen Gewichts­sätzen, bei denen die Gewichte nur mit einer Pinzette angefasst werden. Hier einige Beispiele für verschiedene Messungen:

Ein Elektron hat zum Beispiel die Masse von ca. 10^-30kg, eine Fliege von 10^-3kg, der Mensch von 10²kg, die Erde von 6·10²⁴kg und die Milchstraße von 10⁴²kg. Der Mensch befindet sich somit als Betrachter zwischen dem Mikro­kosmos und dem Makrokosmos.

Betrachten wir nun die Zeit, die ebenfalls eine absolute Größe ist. Die Basis­einheit bei der Zeit ist die „Sekunde” (s). Eine solche Sekunde wird aber nicht durch ein lokales Normal festgelegt, sondern durch ein überall reproduzier­bares Normal. Dies ist gegen­wärtig die genaueste experi­mentelle Festlegungsmethode.

Die Cäsiumatome weisen bei einer sehr wohl definierten Mikrowellen­frequenz ein scharf definiertes Absorptions­maximum auf. Durch eine entsprechende Regel­schaltung kann man erreichen, dass dann diese Mikrowellen­frequenz sehr genau festgehalten wird. Und im Wesentlichen läuft dann die Zeitmessung darauf hinaus, dass man eine bestimmte Anzahl von den Schwingungen dieser Mikrowellenfrequenz abzählt. Wenn diese Anzahl von Schwingungen, in der diese Absorption stattfindet, erreicht ist, ist „eine Sekunde” verstrichen. Das Gute daran ist, dass man solche Atomuhren überall auf der Welt aufstellen kann. Es handelt sich hierbei also um ein überall reproduzierbares Normal.

Es gilt jedoch zu berück­sichtigen, dass man die Zeit nicht über die Licht­geschwindig­keit definiert. Allerdings wird die „Länge” über die Licht­geschwindig­keit definiert. Auch die Frequenz ist nicht über die Zeit definiert. Die Frequenz und die Zeit sind zwei unterschiedliche Größen, die allerdings durch ein reziprokes Verhältnis miteinander verbunden sind. Wenn man die Zeit definiert, hat man als Reziprok (Kehrwert) auch die Frequen­zeinheit definiert. Man macht es der Einfachheit halber so, dass man die Zeit definiert und damit erhält man dann auch die Frequenzen.

Selbst wenn man die Zeit nicht kennt, kann man die Zeit über eine bestimmte Anzahl von Schwingungen festlegen. Und wenn einmal die Zeiteinheit festgelegt ist, steht damit automatisch auch die Frequenz fest. Eine Sekunde wird festgelegt als die Zeit, in der 9.192.631.770 Schwingungen bei der Resonanz des Cäsium­atoms aufgetreten sind und abgezählt werden.

Die ursprüngliche Definition erfolgte über die Länge eines Tages. Daraus ergab sich, dass die Sekunde ursprünglich definiert war als 1 / 86.400 (60 · 60 · 24) des mittleren Sonnentages. Das war auf Dauer allerdings nicht besonders genau. Als man anfing mit Cäsium­atomuhren zu arbeiten, und dann die Rotations­geschwindigkeit der Erde messen konnte, stellte sich heraus, dass die Rotations­geschwindigkeit variiert. Auch wenn sich diese Abweichungen nur im Bereich von 10^-8 bewegen, summieren sie sich dennoch im Laufe der Zeit auf.

Es gibt keine physikalische Größe, die man so genau messen kann wie die Zeit. Da aber die Erde als Grundlage zur Bestimmung der Zeit zu ungenau ist, hat man dieses Cäsium­atomuhr­normal als Basis zugrunde gelegt. Grund­sätzlich wollte man aber an der bisher verwendeten Einheit der Sekunde weiterhin festhalten, und hat diese somit immer präziser eingegrenzt. Und das machte somit eine andere Definition erforderlich.

Einige Beispiele für die Laufzeit des Lichtes:
Die Laufzeit des Lichtes durch einen Atomkern beträgt zum Beispiel 10^-23s, unser Herzschlag liegt bei ca. 10⁰s. Die Lichtlaufzeit von der Sonne zur Erde beträgt 5 · 10²s (ca. 8 min). Das Lebensalter des Menschen immerhin 2 .. · 10⁹s. Die Entwicklungs­geschichte der Menschheit bei 2 · 10¹⁰s. Das Alter unseres Universums liegt vermutlich bei einer Licht­laufzeit von 5 · 10¹⁷s.

Trotzdem trägt niemand eine Cäsium­atomuhr, sondern allenfalls eine Quarzuhr. Abgesehen davon, dass die meisten inzwischen die Zeit auf ihrem Smartphone ablesen. Dennoch erlaubt die Cäsium­atomuhr eine Genauigkeit von 1 · 10^-14s. Das entspricht etwa der Genauigkeit einer Uhr, die in 3 Mio. Jahren gerade mal um eine Sekunde abweicht.

Quarzuhren funktionieren auf dem Prinzip, dass Quarz­kristalle, wenn sie entsprechend zugeschnitten sind, eine sehr gut definierte mechanische Eigen­frequenz haben, die man dann über den Piezoeffekt in eine elektrische Schwingung umsetzen kann. Durch eine elektrische Regel­schaltung kann man dann schließlich diese Schwingungs­frequenz an die Frequenz dieses Quarz­kristalls anhängen. Und durch Zählung der einzelnen Schwingungen kommt man auch auf die Zeiteinheit.

Letzten Endes ist die Zeit eine „Messgröße”. Insofern ist die Zeit das Ergebnis einer Zeitmessung und damit eines Zählvorgangs von entsprechend periodisch ablaufenden Vorgängen. Insofern kann man sich auch leichter vorstellen, wie sich bei der Relativitäts­mechanik herausstellt, dass es keine absolute überall gleichmäßig ablaufende Zeit gibt. Sondern die Zeit wird in unter­schiedlichen Bezugs­systemen unterschiedlich gemessen.

Eine weitere absolute Basis­größe ist die „Temperatur”. Die Temperatur ist ein Maß für die mittlere kinetische Energie der einzelnen Atome in einer Substanz. Das heißt, wie stark die Atome mit ihrer ungeordneten Molekül- oder Atom­bewegung zittern. Und je stärker sie zittern, also je größer ihre mittlere kinetische Energie ist, desto höher ist die Temperatur. Und wenn sie völlig aufhören zu zittern, dann hat man den absoluten Nullpunkt erreicht. Auf die Temperatur gehen wir bei der Betrachtung der Thermo­dynamik noch näher ein.

Beben den absoluten Basis­größen definiert man sich auch abgeleitete Basis­größen. Diese abgeleiteten Basis­größen sind nicht einfach durch ein Normal festgelegt, sondern durch eine bestimmte physika­lische Relation. Mit anderen Worten, eine sogenannte Definitions­relation. Das ist eine Relation zwischen absoluten Basis­größen und einer universellen Konstanten.

t    ist eine absolute Basisgröße
c_₀   ist die Vakuumlichtgeschwindigkeit (eine Konstante)

Das ist die Strecke, die das Licht im Vakuum in einer bestimmten Zeit zurücklegt. In zahlreichen Experimenten wurde nachgewiesen, dass c_₀ eine universelle Konstante zu sein scheint. Daher bietet es sich an, diese Konstante als Definitions­relation für die Länge mit einzubeziehen.

Entscheidend ist jetzt, dass diese Vakuumlicht­geschwindigkeit, weil es sich um eine Definitions­relation handelt, definiert wird. Man definiert c_₀ = 299.792.458 m/s. Daraus ergibt sich dann die abgeleitete Basiseinheit. Mit anderen Worten, „ein Meter (m)” ist definiert als diejenige Wegstrecke, die das Licht im Vakuum in der Zeit von 1/299.792.458 s zurücklegt. Das entspricht ca. 3,34 ns (Nanosekunden).

(lambda · ν = Wellenlänge · Frequenz = Ausbreitungsgeschwindigkeit)

Typische Längen sind:
Der Protonenradius 10^-15m, der mittlere Abstand von Luft­molekülen 10^-6m, der Mensch ist ca. 1,8 · 10^-0m groß, das Sonnensystem 10¹⁴m, das Universum schätzt man gegenwärtig auf 5 · 10²⁵m.

Die Genauigkeit, die man heute bei der Längen­messung erreicht, liegt bei 5 · 10^-9m.

Man definiert die Stromstärke heute über die Anziehungs­kraft zwischen langen geradlinigen stromdurch­flossenen Leitern. Dabei werden magnetische Wechsel­wirkungen zugrunde gelegt. Man definiert die Stromstärke letztlich auch über eine abgeleitete Basisgröße.

Denn bei dem Ampereschen Kraft­gesetz handelt es sich ebenfalls um eine physikalische Relation. Diese erlaubt es ihrerseits diese Anziehungs­kraft zwischen geradlinigen stromdurch­flossenen Leitern auszurechnen. In diesem Gesetz fließt eine weitere universelle Konstante mit ein. In diesem Fall ist es die magnetische Feld­konstante μ_₀ , die als Konstante festgelegt ist. Und aufgrund dieser definitorischen Festlegung erhält man diese Ampere-Definition, an die sich dann alle weiteren elektrischen Größen anschließen.

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