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耗時五年,耗資兩百萬歐元,科學家製造出了世界上最圓的球

看到這個標題,估計很多人的第一反應是:科學家真是閑得慌。

不過科學上的事,通常都不簡單。

事情的起因是這樣的:保存在法國巴黎的國際千克原器,是品質單位千克的定義標準,

雖然有嚴密的監控和保護措施,但經歷了兩百多年的時間,這個鉑銥合金製成的原器依然比最初的品質變化了約50微克。雖然在一般人看來根本算不了事,但這已經給科學研究造成不小的困擾。

國際千克原器

於是,負責制定單位和度量標準的研究人員(稱為計量學家)提出了多個重新定義千克標準的建議,

其中一個建議由名為阿伏伽德羅專案(Avogadro Project)的國際小組提出,旨在通過數量明確的矽原子來精確定義千克標準。為了實現這個目標,製造一對矽原子球體進行比對被認為是較好的方法。

因此,義大利、比利時、日本和美國的科學小組將精確計算出用來製造該球體所需的矽原子數目。這不是一項輕鬆的工作。

為了驗證每個球體的體積,科學家們利用鐳射光學干擾儀從球體表面上隨機選擇6萬個點,測量每個點彼此間的距離。同時,他們還將用X射線晶體檢測器拍攝矽晶體結構的照片,用以確定原子的空間距離和密度。通過將密度和體積相乘,每個小組都將得出自己的1千克到底有多少矽原子的計算。重要的是,這些資料要彼此相符。

然而,製造這些矽原子球體同樣是個挑戰。

為此,科學家們使用了前蘇聯製造核武器用的離心機,用來分離高純度的矽-28。澳大利亞精確光學中心(ACPO)還不惜請出已經退休的光學工程師阿奇姆·雷斯納(Achim Leistner),讓這位從事了數十年精確球體製造的老人將兩個矽晶體作為他的晚年傑作。澳大利亞精確光學中心採用類似於英國偉大物理學家牛頓 300年前為望遠鏡製造透鏡的技術。技術人員用兩個離心頭手動打磨晶體的表面。

圖中即為目前世界上最圓的球體

經過數個月的打磨,研究小組終於制出了兩個直徑為 93.75毫米的球體。按照雷斯納的說法,如果將這兩個球體放大到如同地球般大小,那麼人們僅能在它們表面發現最高為15毫米的波紋。

不過也有科學家認為製造矽原子球體並不能解決什麼,

只不過是用一個有問題的標準取代另外一個有問題的標準,就像有人問的一樣:“這兩個球能不能做得更圓一些?”。與其尋求物理特性上的精准,不如使用能量測量,這樣得出的誤差更小。他們提出瓦特平衡法(watt balance),通過磁場和電場,依靠普朗克常數來定義千克。但實際上,人們也沒有普朗克常數的精確數值,一部分科學家認為現在人類手中的普朗克常數的近似值精度還不夠高,不足以來定義千克。如果使用目前的普朗克常數的近似值來定義千克,日常生活是沒有問題,但會對專業的高精度檢測帶來重大影響。

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不足以來定義千克。如果使用目前的普朗克常數的近似值來定義千克,日常生活是沒有問題,但會對專業的高精度檢測帶來重大影響。

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