在地球上，哪一個(gè)物體接近真正意義上的“圓”？
答案并非大自然的饋贈(zèng)，而是人類科技的巔峰杰作——由超純硅制成的球體。
圖源：nist
有多圓？如果硅球有地球那么大，那么在這顆球上，深溝壑的和高的山峰之間只有 5 米……近乎完美。
這顆球體不是一件隨意的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物，而是一個(gè)科學(xué)奇跡，它的名字被寫進(jìn)了物理學(xué)的傳奇：阿伏伽德羅計(jì)劃。
阿伏伽德羅計(jì)劃 圖源：sci-galary
目前，全球共有 7 顆阿伏伽德羅計(jì)劃的硅球，這些球體的制造成本極其昂貴，每顆的價(jià)值約為三百萬美元。這 7 顆硅球被用來精確測(cè)量阿伏伽德羅常數(shù)，以重新定義千克的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
它們的極高精度對(duì)于確保國(guó)際單位制的一致性和穩(wěn)定性至關(guān)重要，這些球體也是世界上精密的科學(xué)儀器之一，代表了人類在科學(xué)測(cè)量領(lǐng)域的高水平。
這個(gè)故事要從上世紀(jì)九十年代開始講起。國(guó)際單位制的定義當(dāng)時(shí)面臨著一場(chǎng)前所未有的危機(jī)：原始的公斤標(biāo)準(zhǔn)——一個(gè)存放在巴黎的由鉑銥合金制成的圓柱體，隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)了微小的質(zhì)量變化。簡(jiǎn)言之，1 千克不再是 1 千克了，它不準(zhǔn)了。
原始的公斤標(biāo)準(zhǔn)大 K 圖源：courtesy of BIPM
這種漂移是無法預(yù)測(cè)和控制的，對(duì)于那些依賴精確測(cè)量的科學(xué)領(lǐng)域來說，這是不可接受的。
特別是在制藥、材料科學(xué)和精密制造等領(lǐng)域，微小的質(zhì)量變化會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不一致，進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量和安全性。這些領(lǐng)域需要絕對(duì)穩(wěn)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以確保全球范圍內(nèi)的測(cè)量和生產(chǎn)具有一致性。
于是，一群來自世界各地的科學(xué)家，決定尋找一種全新的、不會(huì)隨時(shí)間漂移的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
德國(guó)的物理學(xué)家安德烈亞斯博士，是這項(xiàng)計(jì)劃的核心人物之一。他曾在德國(guó)國(guó)家計(jì)量研究院（PTB）擔(dān)任高級(jí)研究員，專注于精密測(cè)量和計(jì)量學(xué)研究。
在阿伏伽德羅計(jì)劃中，安德烈亞斯博士領(lǐng)導(dǎo)了硅球的制造和測(cè)量工作，確保其達(dá)到前所未有的精度。
他曾在采訪中提到過，“我們的目標(biāo)不僅僅是制造一個(gè)物體，而是要讓它成為自然常數(shù)的一部分。”于是，一個(gè)大膽的設(shè)想誕生了：通過制造一個(gè)完美的硅球來重新定義質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確來說是硅-28 球。
圖源：MDPI
那么，為什么選擇硅-28 同位素？
因?yàn)楣杈哂袠O高的熱穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，不易受環(huán)境變化（如溫度、濕度或壓力）的影響。而且硅本身具有良好的化學(xué)惰性，提純后幾乎不會(huì)與空氣中的氧氣或其他化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，確保其表面和體積在長(zhǎng)期存儲(chǔ)中保持穩(wěn)定。
硅在自然界中存在三種主要同位素：硅-28（92.23%）、硅-29（4.67%）和硅-30（3.10%）。硅-28 占絕對(duì)多數(shù)，因此提純硅-28 比其他同位素更經(jīng)濟(jì)且技術(shù)可行。
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提純后的硅-28完全由同一種原子組成，消除了不同同位素間質(zhì)量和原子半徑差異帶來的誤差。這種均勻性對(duì)計(jì)算原子數(shù)量和晶格參數(shù)至關(guān)重要。
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這顆硅球由 99.9999% 的超純硅制成，但為什么不是 100% 呢？
這是因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)中，真正的 100% 純度幾乎是不可能達(dá)到的。
即使是先進(jìn)的提純技術(shù)，也難以完全消除微量雜質(zhì)，因?yàn)樵谠蛹?jí)別上，任何材料都會(huì)受到外部環(huán)境中的其他原子的影響。
這些微小的雜質(zhì)可能在提取、加工甚至存儲(chǔ)的過程中進(jìn)入材料。達(dá)到 99.9999% 的純度已經(jīng)是一個(gè)極限，進(jìn)一步提純不僅成本極高，而且在技術(shù)上面臨原子間相互作用和設(shè)備的物理極限等挑戰(zhàn)。
與之相比，鉑銥合金雖然具有高密度和抗腐蝕的特性，但由于長(zhǎng)期暴露在環(huán)境中，其表面會(huì)吸附空氣中的污染物，如水分、二氧化碳和有機(jī)化合物，這些污染物會(huì)導(dǎo)致微小的質(zhì)量損耗。
這種質(zhì)量的變化是不可預(yù)測(cè)的，并且在經(jīng)過多年后，即使是微小的變化也會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量定義的不一致性。
科學(xué)研究表明，鉑銥合金公斤原器在不同環(huán)境中出現(xiàn)了無法忽略的質(zhì)量漂移，而這些漂移被認(rèn)為是由于材料的化學(xué)不穩(wěn)定性和長(zhǎng)期的表面氧化導(dǎo)致的。
圖源：heason
為什么選擇球體作為阿伏伽德羅計(jì)劃中硅基準(zhǔn)物體的形狀？
球形具有完美的對(duì)稱性，使得它的表面積和體積可以通過數(shù)學(xué)模型精確計(jì)算，這在測(cè)量中至關(guān)重要。相比于其他形狀，如立方體或不規(guī)則物體，球體的對(duì)稱性使得誤差小化，確保了測(cè)量的高度一致性和可重復(fù)性。
如果選擇其他形狀，表面積和體積的測(cè)量復(fù)雜性會(huì)急劇增加，從而導(dǎo)致更多的誤差累積。此外，球形還在大程度上消除了表面不均勻性帶來的影響，這對(duì)計(jì)算精確的原子數(shù)量至關(guān)重要。
更重要的是，一個(gè)球體的形狀在受力時(shí)是均勻的，這意味著在運(yùn)輸和存儲(chǔ)過程中，球體不易發(fā)生形變，確保其物理特性穩(wěn)定不變。這種穩(wěn)定性正是重新定義國(guó)際單位制時(shí)所需要的基礎(chǔ)。
圖源：網(wǎng)絡(luò)
硅球的制作過程極為復(fù)雜的。
首先，從天然硅中分離出硅-28 同位素。這一步驟需要使用氣體離心機(jī)等高精度設(shè)備，將硅的純度提升至 99.9999% ，以確保終產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性。
之后，將高純度的硅-28 氣體通過化學(xué)氣相沉積法（CVD）沉積在種子晶體上，生長(zhǎng)出大尺寸的單晶硅錠。這一過程需要在超潔凈的環(huán)境中進(jìn)行，以防止雜質(zhì)的引入。
圖源：網(wǎng)絡(luò)
接著，將單晶硅錠切割成接近球形的粗坯。切割過程中需使用高精度的金剛石工具，確保尺寸的準(zhǔn)確性。對(duì)粗坯進(jìn)行多次精密研磨和拋光，逐步接近完美的球形。
在此過程中，使用納米級(jí)的研磨劑和拋光液，確保表面光滑度和圓度達(dá)到極限。
圖源：PBS
為了確保這顆球的每個(gè)部分都近乎完美，科學(xué)家們還使用了激光干涉儀和X射線晶體分析等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行測(cè)量。
根據(jù)測(cè)量結(jié)果，對(duì)球體進(jìn)行微調(diào)，直至其偏差控制在納米級(jí)別。這些技術(shù)不僅幫助他們確保了球的完美形狀，也為之后通過計(jì)算原子數(shù)量來定義阿伏伽德羅常數(shù)鋪平了道路。
基于這顆硅球，科學(xué)家們得以精確地計(jì)算出一個(gè)近乎完美的阿伏伽德羅常數(shù)，從而為國(guó)際單位制的新定義提供了穩(wěn)定的基礎(chǔ)。這樣，千克的定義告別了鉑銥合金的漂移誤差，實(shí)現(xiàn)了真正的全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
2018 年 11 月 16 日，法國(guó)凡爾賽宮里，一場(chǎng)極具歷史意義的科學(xué)會(huì)議正在進(jìn)行。在這一天，全世界的科學(xué)家們共同為一位“退位者”送行：國(guó)際千克原器——那塊在過去 139 年中定義“1 千克”的鉑銥合金圓柱體。
這塊保存了百余年的鉑銥合金圓柱體，曾是全球重量單位“1千克”的基準(zhǔn)。圖源：NIST
取而代之的，則是今天介紹的世界上圓的球。它，成為了基于自然界恒定常數(shù)的新千克定義。
圖源：Enrico Massa and Carlo Sasso
從地球的角落，到原子的世界，人類從未停止過追尋極致的腳步。而這顆硅球，不僅圓滿了物理學(xué)的夢(mèng)想，也讓我們看到了科學(xué)本身的無限可能。
這不僅僅是一個(gè)關(guān)于質(zhì)量單位的故事，更是人類心靈的探索——一種對(duì)極致之美的不懈追求，一次從微觀到宏觀的偉大旅程。
參考文獻(xiàn)
[1https://www.nist.gov/si-redefinition/kilogram-silicon-spheres-and-international-avogadro-project
[2https://www.scientificamerican.com/article/sphere-made-to-redefine-kilogram-has-purest-silicon-ever-created/
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來源丨把科學(xué)帶回家（ID：steamforkids）
作者｜蘇澄宇
責(zé)編丨楊雅萍
審校丨徐來、林林
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