科学家耗资千万,打造“世界上最圆的球体”,有什么用?

世界上最圆的球体

这是世界上最圆的球体,它的直径为93.75毫米,重量为一千克,将其放大到地球的尺寸,没有凸起的高山,也没有凹进去的海洋,我们顶多只能看到 12到15毫米的小波纹。

据悉,为了打造它,科学家们耗资千万、费时5年、奔波于多个国家。那么,如此完美的球体是怎么做出来的?它又能派上什么用场呢?

如何打造出“最圆的球”

首先,这颗球体的成分为硅28。为了提高纯度,科学家们将前苏联时期提炼铀的离心机搬了出来,得到了含量为99.9995%的硅28。

硅晶体

随后,他们将这些提纯后的硅送到了德国的国家计量研究所,在经历了6次失败后,终于制成了10公斤的硅晶体,并把它们送往了澳大利亚的精确光学中心,在那里,光学工程师阿奇姆·雷斯纳(Achim Leistner)利用精密的仪器,经过数月的打磨,终于制造出了我们在视频开头看到的误差极小的球体。

当然,如此费钱、费时、费力地付出可不是为了一个噱头,而是要“重新定义质量的国际单位——千克”。但是,好好的为什么要重新定义呢?

千克的定义

这就要从“国际千克原器”讲起了。1799年,科学家们发现4摄氏度时水的密度最为稳定,因此便将此温度下1立方分米水的质量定义为1千克,与此同时,他们还制作出了一个相应质量的铂金块,并将它的数值记录到了法国科学院的“千克档案”中,这一用就是90年。

1879年,英国的一家公司制造出了三个新的“铂铱合金”砝码,它们的硬度更高、抗氧化性更强、膨胀率也低,很适合静静地放着。

于是,在1889年,第一届国际计量大会从三个当中选了质量最接近档案的一颗,并将它定为“国际千克原器”,也就是俗称的“大K”

而故事到这才刚刚开始,为了保证原器的准确性,它的复制品被送到了许多签约国家,每隔40年,这些砝码就要相遇一次,然后比比体重。

事实是,再稳定的大K也熬不过时间的摧残,经过了一百多年,它的质量已经出现了50微克的误差。这在我们听起来可能不算什么,但是,作为七个基本单位之一,它的不准不仅会影响尖端科学的精准度量,也连带着许多单位遭殃。因此,科学家们必须重新定义千克,且最好不利用实物定义。

旧版国际单位

重新定义千克

于是,就有人想到了“硅球方案”,即数出单晶硅球中的硅原子个数。

整齐的硅原子

因为硅的晶格排列非常规律,原子量和总质量都是确定的,所以,只需要算出“千克硅球中到底有多少个硅原子”,就能重新定义质量的国际单位了。但很可惜,这一方案并没有得到国际计量委员会的认可,一些计量学家认为“这只不过是用一个有问题的物理标准取代了另外一个有问题的物理标准”。最终,在2018年第二十六届国际计量大会上,“普朗克常数”被用来重新定义千克。

千克的新定义

不过,这也不是说硅球就派不上用场了,一旦数出了硅原子的数量,便能计算出“阿伏伽德罗常数”,而这也是校准普朗克常数的一种方法。

阿伏伽德罗常数的定义

因此,这颗球虽然不能定义千克,却可以检查千克的定义是否准确,也算是帮上忙了。

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投稿时间:2022-08-04  最后更新:2022-08-04

标签:球体   普朗克   晶格   常数   国际单位   砝码   原子   科学家   定义   质量   国际

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