在地球上，哪一個物體最接近真正意義上的“圓”？
答案并非大自然的饋贈，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，最深溝壑的和最高的山峰之間只有 5 米……近乎完美。
這顆球體不是一件隨意的實驗產物，而是一個科學奇跡，它的名字被寫進了物理學的傳奇：阿伏伽德羅計劃。
阿伏伽德羅計劃 圖源：sci-galary
目前，全球共有 7 顆阿伏伽德羅計劃的硅球，這些球體的制造成本極其昂貴，每顆的價值約為三百萬美元。這 7 顆硅球被用來精確測量阿伏伽德羅常數(shù)，以重新定義千克的質量標準。
它們的極高精度對于確保國際單位制的一致性和穩(wěn)定性至關重要，這些球體也是世界上最精密的科學儀器之一，代表了人類在科學測量領域的最高水平。
這個故事要從上世紀九十年代開始講起。國際單位制的定義當時面臨著一場前所未有的危機：原始的公斤標準——一個存放在巴黎的由鉑銥合金制成的圓柱體，隨著時間的推移出現(xiàn)了微小的質量變化。簡言之，1 千克不再是 1 千克了，它不準了。
原始的公斤標準大 K 圖源：courtesy of BIPM
這種漂移是無法預測和控制的，對于那些依賴精確測量的科學領域來說，這是不可接受的。特別是在制藥、材料科學和精密制造等領域，微小的質量變化會導致實驗結果的不一致，進而影響產品質量和安全性。這些領域需要絕對穩(wěn)定的質量標準，以確保全球范圍內的測量和生產具有一致性。
于是，一群來自世界各地的科學家，決定尋找一種全新的、不會隨時間漂移的質量標準。
德國的物理學家安德烈亞斯博士，是這項計劃的核心人物之一。他曾在德國國家計量研究院（PTB）擔任高級研究員，專注于精密測量和計量學研究。在阿伏伽德羅計劃中，安德烈亞斯博士領導了硅球的制造和測量工作，確保其達到前所未有的精度。他曾在采訪中提到過，“我們的目標不僅僅是制造一個物體，而是要讓它成為自然常數(shù)的一部分。”于是，一個大膽的設想誕生了：通過制造一個完美的硅球來重新定義質量標準，準確來說是硅-28 球。
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那么，為什么選擇硅-28 同位素？
因為硅具有極高的熱穩(wěn)定性和機械強度，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惰性，提純后幾乎不會與空氣中的氧氣或其他化學物質發(fā)生反應，確保其表面和體積在長期存儲中保持穩(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 占絕對多數(shù)，因此提純硅-28 比其他同位素更經濟且技術可行。
圖源：Wikipedia
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量和原子半徑差異帶來的誤差。這種均勻性對計算原子數(shù)量和晶格參數(shù)至關重要。
圖源：springer
這顆硅球由 99.9999% 的超純硅制成，但為什么不是 100% 呢？
這是因為在現(xiàn)實中，真正的 100% 純度幾乎是不可能達到的。即使是最先進的提純技術，也難以完全消除微量雜質，因為在原子級別上，任何材料都會受到外部環(huán)境中的其他原子的影響。這些微小的雜質可能在提取、加工甚至存儲的過程中進入材料。達到 99.9999% 的純度已經是一個極限，進一步提純不僅成本極高，而且在技術上面臨原子間相互作用和設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，但由于長期暴露在環(huán)境中，其表面會吸附空氣中的污染物，如水分、二氧化碳和有機化合物，這些污染物會導致微小的質量損耗。這種質量的變化是不可預測的，并且在經過多年后，即使是微小的變化也會導致質量定義的不一致性。
科學研究表明，鉑銥合金公斤原器在不同環(huán)境中出現(xiàn)了無法忽略的質量漂移，而這些漂移被認為是由于材料的化學不穩(wěn)定性和長期的表面氧化導致的。
為什么選擇球體作為阿伏伽德羅計劃中硅基準物體的形狀？
球形具有完美的對稱性，使得它的表面積和體積可以通過數(shù)學模型精確計算，這在測量中至關重要。相比于其他形狀，如立方體或不規(guī)則物體，球體的對稱性使得誤差最小化，確保了測量的高度一致性和可重復性。
如果選擇其他形狀，表面積和體積的測量復雜性會急劇增加，從而導致更多的誤差累積。此外，球形還在最大程度上消除了表面不均勻性帶來的影響，這對計算精確的原子數(shù)量至關重要。
更重要的是，一個球體的形狀在受力時是均勻的，這意味著在運輸和存儲過程中，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際單位制時所需要的基礎。
硅球的制作過程極為復雜的。
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等高精度設備，將硅的純度提升至 99.9999% ，以確保最終產品的質量和穩(wěn)定性。
之后，將高純度的硅-28 氣體通過化學氣相沉積法（CVD）沉積在種子晶體上，生長出大尺寸的單晶硅錠。這一過程需要在超潔凈的環(huán)境中進行，以防止雜質的引入。
圖源：網絡
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，確保尺寸的準確性。對粗坯進行多次精密研磨和拋光，逐步接近完美的球形。在此過程中，使用納米級的研磨劑和拋光液，確保表面光滑度和圓度達到極限。
為了確保這顆球的每個部分都近乎完美，科學家們還使用了激光干涉儀和X射線晶體分析等先進技術進行測量。根據(jù)測量結果，對球體進行微調，直至其偏差控制在納米級別。這些技術不僅幫助他們確保了球的完美形狀，也為之后通過計算原子數(shù)量來定義阿伏伽德羅常數(shù)鋪平了道路。
基于這顆硅球，科學家們得以精確地計算出一個近乎完美的阿伏伽德羅常數(shù)，從而為國際單位制的新定義提供了穩(wěn)定的基礎。這樣，千克的定義告別了鉑銥合金的漂移誤差，實現(xiàn)了真正的全球統(tǒng)一標準。
2018 年 11 月 16 日，法國凡爾賽宮里，一場極具歷史意義的科學會議正在進行。在這一天，全世界的科學家們共同為一位“退位者”送行：國際千克原器——那塊在過去 139 年中定義“1 千克”的鉑銥合金圓柱體。
取而代之的，則是今天介紹的世界上最圓的球。它，成為了基于自然界恒定常數(shù)的新千克定義。
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，不僅圓滿了物理學的夢想，也讓我們看到了科學本身的無限可能。
這不僅僅是一個關于質量單位的故事，更是人類心靈的探索——一種對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
[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/
策劃制作
來源丨把科學帶回家（ID：steamforkids）
作者｜蘇澄宇
責編丨楊雅萍
審校丨徐來、林林
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