千克新標(biāo)準(zhǔn)-圓球體

科學(xué)家打造的完美硅球，表面的瑕疵不超過0.3納米


國際標(biāo)準(zhǔn)1千克砝碼

據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志報(bào)道，最近，一個(gè)由工程師和能工巧匠組成的國際小組造出一對(duì)幾近完美的球體，被認(rèn)為是世界上最圓的物體，科學(xué)家希望它能夠成為千克度量新標(biāo)準(zhǔn)。

　　上周在法國舉行的SPIE天文望遠(yuǎn)鏡與儀器大會(huì)上，與會(huì)代表對(duì)這兩個(gè)不同尋常的球體進(jìn)行了討論。國際小組造出它們是為了解答“千克問題”。現(xiàn)有的由鉑銥合金制成的國際千克原器存放于法國首都巴黎，具有120年歷史，但它已“神秘地”比原來輕了50微克，給從事科學(xué)研究和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等精密工作的人帶來不少麻煩。
　　于是，負(fù)責(zé)制定單位和度量標(biāo)準(zhǔn)的研究人員(稱為計(jì)量學(xué)家)提出了多個(gè)重新定義千克標(biāo)準(zhǔn)的建議。2011年，國際計(jì)量委員會(huì)將對(duì)這個(gè)問題做出最終裁決。其中一個(gè)建議由名為阿伏伽德羅項(xiàng)目(Avogadro Project)的國際小組提出，旨在通過數(shù)量明確的硅原子來精確定義千克標(biāo)準(zhǔn)。千克到底有多少硅原子？為了解答這個(gè)問題，科學(xué)家特意制造了這對(duì)完美硅球體。
　　未來幾年，意大利、比利時(shí)、日本和美國的科學(xué)小組將精確計(jì)算出用來制造該球體所需的硅原子數(shù)目。這不是一項(xiàng)輕松的工作。為了驗(yàn)證每個(gè)球體的體積，科學(xué)家們利用激光光學(xué)干擾儀從球體表面上隨機(jī)選擇6萬個(gè)點(diǎn)，測(cè)量每個(gè)點(diǎn)彼此間的距離。同時(shí)，他們還將用X射線晶體檢測(cè)器拍攝硅晶體結(jié)構(gòu)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(gè)小組都將得出自己的1千克到底有多少硅原子的計(jì)算。重要的是，這些數(shù)據(jù)要彼此相符。不過，這些球體的制造同樣是個(gè)挑戰(zhàn)。澳大利亞英聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織(CSIRO)于今年4月將這項(xiàng)重任交到阿伏伽德羅項(xiàng)目組，希望其早日完成這個(gè)棘手的工作。
　　動(dòng)用造核武器的離心機(jī)
　　據(jù)科學(xué)家介紹，他們使用前蘇聯(lián)曾經(jīng)用以制造核武器的離心機(jī)來提取高純度的硅。離心機(jī)將這些硅從同位素中分離出來，以便讓研究人員打造出高純度的硅-28。之后，他們將這些純度極高的硅運(yùn)到德國的國家計(jì)量研究所(PTB)，通過一臺(tái)數(shù)十年前為東德生產(chǎn)硅的設(shè)備“長”成了巨大的晶體。科研人員在經(jīng)過6次的失敗嘗試后，終于將這些硅制成了硅晶體。硅晶體被一分為二，變成兩塊5公斤的晶體，并運(yùn)到澳大利亞。
　　為加工成這對(duì)硅晶體，澳大利亞精確光學(xué)中心(ACPO)還不惜請(qǐng)出已經(jīng)退休的光學(xué)工程師阿奇姆·雷斯納(Achim Leistner)，讓這位從事了數(shù)十年精確球體制造的老人將兩個(gè)硅晶體作為他的晚年杰作。澳大利亞精確光學(xué)中心采用類似于英國偉大物理學(xué)家牛頓 300年前為望遠(yuǎn)鏡制造透鏡的技術(shù)。技術(shù)人員用兩個(gè)離心頭手動(dòng)打磨晶體的表面。
　　經(jīng)過數(shù)個(gè)月的打磨，研究小組終于制出了兩個(gè)直徑為 93.75毫米的球體。這兩個(gè)球體的質(zhì)量與澳大利亞的千克度量器相符。兩者的誤差只有0.3納米，彎曲率為60至70納米。雷斯納在接受《新科學(xué)家》雜志采訪時(shí)說：“如果你能把我們的球體吹大到地球大小，你將在平滑球面上看到約 12至15毫米的小波紋，而圓周誤差卻只有3至5米。”
　　“最圓物體”遭遇廣泛質(zhì)疑
　　據(jù)雷斯納介紹，如此完美的圓在20年前根本無法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槲覀儾荒芸吹饺绱宋⑿〉牟町悺Ａ硗猓娔X處理技術(shù)的發(fā)展提高了數(shù)據(jù)處理的速度，通過Talyrond 365圓度儀等測(cè)量儀器，技術(shù)人員可以輕松對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。Talyrond 365圓度儀是外形如紡錘一般的儀器，繞著球體旋轉(zhuǎn)，縱使完美圓度的誤差只有5納米，它也能檢測(cè)出來。如此一來，研究人員就能對(duì)他們發(fā)現(xiàn)的任何瑕疵進(jìn)行矯正。
　　即使“阿伏伽德羅項(xiàng)目”的所有研究小組在每一個(gè)球體的硅原子數(shù)量上已達(dá)成一致，但目前尚不清楚國際計(jì)量委員會(huì)是否會(huì)接受他們的定義標(biāo)準(zhǔn)。這是因?yàn)橐恍┯?jì)量學(xué)家認(rèn)為“阿伏伽德羅項(xiàng)目”的精確球體只不過是用一個(gè)有問題的物理標(biāo)準(zhǔn)取代另外一個(gè)有問題的物理標(biāo)準(zhǔn)。他們提議用一種稱為瓦特平衡法(watt balance)的方法來試一試。所謂瓦特平衡法，即是用磁場(chǎng)和電力來重新定義千克。
　　贊成這一方法的美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)學(xué)會(huì)的理查德·斯坦納(Richard Steiner)認(rèn)為，與球體直徑等物理特性相比，用能量來測(cè)量產(chǎn)生的誤差更小。但是，瓦特平衡法本身也存在諸多問題，迄今為止，兩個(gè)嘗試用這種方法定義千克的小組卻得出了不同的數(shù)據(jù)。斯坦納的批評(píng)還提出了一個(gè)棘手的問題，即這些耗資百萬美元打造的球體也許是目前世界上最圓的物體，但它們能否再圓一點(diǎn)兒？