千克新標準-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


國際標準1千克砝碼

據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志報道，最近，一個由工程師和能工巧匠組成的國際小組造出一對幾近完美的球體，被認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準。

　　上周在法國舉行的SPIE天文望遠鏡與儀器大會上，與會代表對這兩個不同尋常的球體進行了討論。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)計等精密工作的人帶來不少麻煩。
　　于是，負責(zé)制定單位和度量標準的研究人員(稱為計量學(xué)家)提出了多個重新定義千克標準的建議。2011年，國際計量委員會將對這個問題做出最終裁決。其中一個建議由名為阿伏伽德羅項目(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準。千克到底有多少硅原子？為了解答這個問題，科學(xué)家特意制造了這對完美硅球體。
　　未來幾年，意大利、比利時、日本和美國的科學(xué)小組將精確計算出用來制造該球體所需的硅原子數(shù)目。這不是一項輕松的工作。為了驗證每個球體的體積，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，每個小組都將得出自己的1千克到底有多少硅原子的計算。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月將這項重任交到阿伏伽德羅項目組，希望其早日完成這個棘手的工作。
　　動用造核武器的離心機
　　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來提取高純度的硅。離心機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到德國的國家計量研究所(PTB)，通過一臺數(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，并運到澳大利亞。
　　為加工成這對硅晶體，澳大利亞精確光學(xué)中心(ACPO)還不惜請出已經(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年前為望遠鏡制造透鏡的技術(shù)。技術(shù)人員用兩個離心頭手動打磨晶體的表面。
　　經(jīng)過數(shù)個月的打磨，研究小組終于制出了兩個直徑為 93.75毫米的球體。這兩個球體的質(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年前根本無法實現(xiàn)，因為我們不能看到如此微小的差異。另外，電腦處理技術(shù)的發(fā)展提高了數(shù)據(jù)處理的速度，通過Talyrond 365圓度儀等測量儀器，技術(shù)人員可以輕松對數(shù)據(jù)進行解碼。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，它也能檢測出來。如此一來，研究人員就能對他們發(fā)現(xiàn)的任何瑕疵進行矯正。
　　即使“阿伏伽德羅項目”的所有研究小組在每一個球體的硅原子數(shù)量上已達成一致，但目前尚不清楚國際計量委員會是否會接受他們的定義標準。這是因為一些計量學(xué)家認為“阿伏伽德羅項目”的精確球體只不過是用一個有問題的物理標準取代另外一個有問題的物理標準。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，即是用磁場和電力來重新定義千克。
　　贊成這一方法的美國國家標準技術(shù)學(xué)會的理查德·斯坦納(Richard Steiner)認為，與球體直徑等物理特性相比，用能量來測量產(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)。斯坦納的批評還提出了一個棘手的問題，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兒？