科学家造世界最圆球体 有望成千克新标准

最终幻想

科学家打造的完美硅球，表面的瑕疵不超过0.3纳米

国际标准1千克砝码

　　新浪科技讯 北京时间7月3日消息，据英国《新科学家》杂志报道，最近，一个由工程师和能工巧匠组成的国际小组造出一对几近完美的球体，被认为是世界上最圆的物体，科学家希望它能够成为千克度量新标准。

视频：世界最圆球

　　或成千克度量新标准
　　上周在法国举行的SPIE天文望远镜与仪器大会上，与会代表对这两个不同寻常的球体进行了讨论。国际小组造出它们是为了解答“千克问题”。现有的由铂铱合金制成的国际千克原器存放于法国首都巴黎，具有120年历史，但它已“神秘地”比原来轻了50微克，给从事科学研究和数据统计等精密工作的人带来不少麻烦。
　　于是，负责制定单位和度量标准的研究人员(称为计量学家)提出了多个重新定义千克标准的建议。2011年，国际计量委员会将对这个问题做出最终裁决。其中一个建议由名为阿伏伽德罗项目(Avogadro Project)的国际小组提出，旨在通过数量明确的硅原子来精确定义千克标准。千克到底有多少硅原子？为了解答这个问题，科学家特意制造了这对完美硅球体。
　　未来几年，意大利、比利时、日本和美国的科学小组将精确计算出用来制造该球体所需的硅原子数目。这不是一项轻松的工作。为了验证每个球体的体积，科学家们利用激光光学干扰仪从球体表面上随机选择6万个点，测量每个点彼此间的距离。同时，他们还将用X射线晶体检测器拍摄硅晶体结构的照片，用以确定原子的空间距离和密度。
　　通过将密度和体积相乘，每个小组都将得出自己的1千克到底有多少硅原子的计算。重要的是，这些数据要彼此相符。不过，这些球体的制造同样是个挑战。澳大利亚英联邦科学和工业研究组织(CSIRO)于今年4月将这项重任交到阿伏伽德罗项目组，希望其早日完成这个棘手的工作。
　　动用造核武器的离心机
　　据科学家介绍，他们使用前苏联曾经用以制造核武器的离心机来提取高纯度的硅。离心机将这些硅从同位素中分离出来，以便让研究人员打造出高纯度的硅-28。之后，他们将这些纯度极高的硅运到德国的国家计量研究所(PTB)，通过一台数十年前为东德生产硅的设备“长”成了巨大的晶体。科研人员在经过6次的失败尝试后，终于将这些硅制成了硅晶体。硅晶体被一分为二，变成两块5公斤的晶体，并运到澳大利亚。
　　为加工成这对硅晶体，澳大利亚精确光学中心(ACPO)还不惜请出已经退休的光学工程师阿奇姆·雷斯纳(Achim Leistner)，让这位从事了数十年精确球体制造的老人将两个硅晶体作为他的晚年杰作。澳大利亚精确光学中心采用类似于英国伟大物理学家牛顿 300年前为望远镜制造透镜的技术。技术人员用两个离心头手动打磨晶体的表面。
　　经过数个月的打磨，研究小组终于制出了两个直径为 93.75毫米的球体。这两个球体的质量与澳大利亚的千克度量器相符。两者的误差只有0.3纳米，弯曲率为60至70纳米。雷斯纳在接受《新科学家》杂志采访时说：“如果你能把我们的球体吹大到地球大小，你将在平滑球面上看到约 12至15毫米的小波纹，而圆周误差却只有3至5米。”
　　“最圆物体”遭遇广泛质疑
　　据雷斯纳介绍，如此完美的圆在20年前根本无法实现，因为我们不能看到如此微小的差异。另外，电脑处理技术的发展提高了数据处理的速度，通过Talyrond 365圆度仪等测量仪器，技术人员可以轻松对数据进行解码。Talyrond 365圆度仪是外形如纺锤一般的仪器，绕着球体旋转，纵使完美圆度的误差只有5纳米，它也能检测出来。如此一来，研究人员就能对他们发现的任何瑕疵进行矫正。
　　即使“阿伏伽德罗项目”的所有研究小组在每一个球体的硅原子数量上已达成一致，但目前尚不清楚国际计量委员会是否会接受他们的定义标准。这是因为一些计量学家认为“阿伏伽德罗项目”的精确球体只不过是用一个有问题的物理标准取代另外一个有问题的物理标准。他们提议用一种称为瓦特平衡法(watt balance)的方法来试一试。所谓瓦特平衡法，即是用磁场和电力来重新定义千克。
　　赞成这一方法的美国国家标准技术学会的理查德·斯坦纳(Richard Steiner)认为，与球体直径等物理特性相比，用能量来测量产生的误差更小。但是，瓦特平衡法本身也存在诸多问题，迄今为止，两个尝试用这种方法定义千克的小组却得出了不同的数据。斯坦纳的批评还提出了一个棘手的问题，即这些耗资百万美元打造的球体也许是目前世界上最圆的物体，但它们能否再圆一点儿？