Aus was besteht die Welt und aus welchen Grundbausteinen ist sie zusammengebaut? Diese Frage beschäftigte schon die alten Griechen (z.B.: Demokrit mit seinen ersten Gedanken zu dem Atomos Konzept – alles besteht aus unteilbaren Grundelementen). Auf was unsere Existenz wirklich im Endeffekt rückführbar ist, ist noch nicht abschließend geklärt. Die Quantenmechanik und Quantenfeldtheorien haben hier schon ein gutes Fundament geliefert, aber es wurde noch nicht vollbracht Sie mit der Relativitätstheorie zu vereinen. Auch Theorien wie die Stringtheorie oder die Supersymetrie haben noch keine experimentellen Beweise geliefert.
Wenn hier von Grundgrößen die Rede ist, dann sind die 7 SI Einheiten der Physik (SI: französisch Système international d’unités) gemeint. Aus diesen Einheiten lassen sich alle anderen Einheiten ableiten.
Nehmen wir als Beispiel Länge in Meter [m] und Zeit in Sekunden [s]. 1 m ist eine Länge, 1 m² ist eine Fläche, 1 m³ ist ein Volumen. m/s gibt eine Geschwindigkeit an, m/s² eine Beschleunigung. Soweit die einfacheren Herleitungen. Aber auch komplexere Einheiten lassen sich alle auf die Basiseinheiten zurückführen, wie in den Beispielen unterhalb. Der Einfachheit halber verwendet man hier aber glücklicherweise andere Einheiten.
Spannung in V (Volt): \( V = \frac{kg x m^2}{A x s^3} \)
Wärmemenge in J (Joule): \( Q = \frac{kg}{m^2 x s^2} \)
Die Rückführbarkeit aller Messungen auf die Grundeinheiten ist ein wichtiger Grundpfeiler für unser Kalibrierwesen und somit für die Aussagekraft von Messungen. Früher gab es noch anschauliche Urmeter, Urkilogramm und dergleichen. Seit 2019 wurden alle Grundgrößen auf Naturkonstanten basierend definiert. Dies ist zwar etwas schwieriger für Einsteiger zu verdauen, da Naturkonstanten Natur gemäß auf ewig konstant sind, hat man hier eine immerwährende gleiche Definition. Das Urkilogramm hat z.B. unerklärlicher Weise über die Jahre etwas an Gewicht verloren (50 µg in 100 Jahren). Solche Abweichungen haben in unserer Welt der Perfektion keinen Platz mehr.
Temperatur – Symbol: T / SI-Einheit: K für Kelvin
Die Temperatur ist ein Maß für die Bewegung von Teilchen (was auch immer: Elektronen, Quarks, Neutrinos, etc. und alles daraus Bestehende). Je höher die Temperatur, umso schneller bewegen sich diese Teilchen. Beim absoluten Nullpunkt (0 K = -273.18 °C) gibt es daher keine Bewegung mehr und ist somit auch nicht erreichbar (= 3.Grundsatz der Thermodynamik).
Definition:
Die Einheit Kelvin ist über die Boltzmann-Konstante definiert. Ein Kelvin ist die Änderung der thermodynamischen Temperatur T, welche einer Änderung der thermischen Energie um exakt 1.380649 10-23 J entspricht.
Zeit – Symbol: t / Einheit: s für Sekunden
Beinahe eine philosophische Frage: was ist der Ursprung der Zeit. Erst durch eine Reaktion auf eine Aktion geschieht etwas und erst hier beginnt die Zeit. Der Urknall war die Sekunde ohne Gestern…
….und wahrscheinlich gibt es auch einmal die Sekunde ohne ein Morgen. Die Festlegung der Messung von Zeit basiert heutzutage auf dem Prinzip der Atomuhr. Wobei bei vielen Atomuhren Cäsium verwendet wird. Die Ungenauigkeit ist unglaubliche 1 s Fehler in 20 Mio. Jahren.
Definition:
Eine Sekunde ist das 9 192 631 770-fache der Periodendauer der Strahlung, die dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes Cäsium133 entspricht.
Länge: Symbol: l / SI-Einheit: m für Meter
Die Entfernung zwischen zwei Punkten. Somit im ersten Moment vielleicht einfacher vorzustellen als Zeit. Wenn sich allerdings nichts über die Zeit bewegt, kann auch Nichts keine Länge zurücklegen. Sprich, wenn etwas z.B. einen Meter von mir entfernt ist, allerdings kein Teilchen oder sonstige Information über eine gewisse Zeit zu mir kommt, werde ich auch nie wissen, dass dort etwas ist. Somit existiert es für mich dann auch nicht. Aus diesem Grund kann Zeit nicht so ohne weiters vom Raum getrennt betrachten. Diese Anschauung ist allerdings eher etwas für die Philosophen und richtigen Physiker unter uns.
Definition:
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist 299 792 458 m/s. Ein Meter wurde daher definiert als diejenige Strecke, die das Licht im Vakuum innerhalb des Zeitintervalls von 1/299 792.
Masse: Symbol: m / SI-Einheit: kg für Kilogramm
Nicht zu verwechseln mit Gewicht (bzw. eigentlich Gewichtskraft). Das Gewichtskraft ergibt sich aus der Fallbeschleunigung (Gravitation) und der Masse . Masse selbst ergibt sich aus der Bewegung von Materie (Quarks, Elektronen, Neutronen, dgl.) durch das überall vorhandene Higgs-Feld. Es ist ein bisschen so, wie wenn man sich im Schwimmbad gehend fortbewegt und sich wundert, warum man nicht so schnell voran kommt wie an Land. Diesen Widerstand spüren wir als Masse. Auch wenn wir still stehen, bewegen sich die Teilchen, aus denen wir bestehen, da wir immer eine Temperatur größer 0 K haben. Interessanterweise wird auch etwas schwerer, wenn es heißer wird (allerdings nur sehr wenig).
Definition:
Ein Kilogramm ist auf das plancksche Wirkungsquantum h definiert (die kleinste Wirkung bzw. der kleinste Fußtritt, welche(r) in der reellen Welt vollbracht werden kann). h ist definiert auf 6.626 07015 × 10−34 \( \frac{kg m^2}{s} \). Da nun auch Zeit [s] und Länge [m] mit Naturkonstanten definiert sind, ergibt sich daraus logsicherweise auch das Kilogramm.
Stromstärke: Symbol: I / SI-Einheit: A für Ampere
Ampere ist der Fluss einer Ladung (meistens als Elektron gedacht) pro Sekunde. Man kann sich 1 A als die Bewegung von 6,2 · 1018 (6,2 Trillionen) Elektronen pro Sekunde vorstellen. Meinung des Autors: eigentlich hätte man auch Coulomb (Anzahl an Ladungen) als Basiseinheit definieren können.
Definition:
Ein Ampere entspricht den Strom von 1.602 10-19 Elementarladungen pro Sekunde.
Stoffmenge: Symbol: n / SI-Einheit: mol
Absolute Anzahl an welche auch immer betrachteten Teilchen (Atome, Elektronen, Moleküle, etc.). Da Teilchen sehr klein sind und man für den Alltag sonst immer mit sehr hohen Zahlen rechnen müsste, hat man einen handlichen Umrechnungsfaktor definiert.
Definition:
1 mol = 6.022 x 1023 Teilchen = Avogadro Konstante. Das ist die Anzahl an Kohlenstoffatomen, welche sich aus 12 g des Kohlenstoffisotops C12 ergibt.
Lichtstärke: Symbol: Iv / SI-Einheit: cd für Candela
Die Wahl der Lichtstärke als photometrische Basisgröße erscheint zunächst wenig nachvollziehbar. Im Alltag ist auch der gebrauch vom Lichtstrom in Lumen weit geläufiger als die Lichtstärke. Aber Sie ist nun mal als Basisgröße so definiert. Candela ist die Menge an ausgesandten Lichtteilchen in eine gewisse Richtung – als Raumwinkel ausgedrückt. Es ist sicherlich diejenige Grundgröße, welche etwas schwieriger zu verdauen ist.
Definition:
Ein Candela ist die Lichtstärke (Lichtstromdichte) einer Lichtquelle mit einer Wellenlänge von 555 nm (grünes Licht, dieses sehen wir mit dem menschlichen Auge Natur gemäß am intensivsten), mit einer Leistung von 1/683 Watt pro Steradiant (Raumeinheitswinkel).
Titelbild-Fotos: PTB