世界最圓球體 或成千克新標準

【大紀元唐逸仁編譯報導】據英國《新科學家》報導，一個國際工程師和藝術家小組已經打造了一對近乎完美的球，被認為是世界上最圓的物體。
此與眾不同的球，上周在法國舉行的國際光學工程協會（SPIE）天文學望遠鏡與儀器大會上引發討論，之所以製造它們是為了回答千克定義的問題。

120年以來，人們一直以存放於法國巴黎郊外的由鉑銥合金製成的國際千克原器作為「千克」的標準。

但隨著時間變遷，與珍藏在其它國家的40個複製品相比較，此金屬物的質量正在慢慢發生變化。沒有人知道這種變化是什麼原因導致的，以及到底變化了多少。

因此度量衡學家已經提出了多項建議來重新定義千克標準。2011年，國際重量與測量委員會將對此問題作出裁決。

其中的一個建議是由一個名為「阿伏加德羅」國際小組提出，將千克按照一些特定的矽原子來定義。但問題是，到底是多少？這就是製造這一世界上最圓的球狀矽的動機。他們通過精確測算出「完美矽球」內究竟有多少個矽原子，從而能測定阿伏加德羅常數（即一摩爾任何物質中所包含的基本單元數），進而將質量單位「千克」的標準回歸到與恆定常數相關的定義中，而不是依靠一個「原器」，或者其它什麼會變化的東西來計量。

精確到一個矽原子

據介紹，在接下來的幾年裏，來自意大利、比利時、日本和美國的科學小組將精確測量這對矽球中的原子數量。

然而，此任務可不容易，為確定每一個球體積，他們將利用光學干涉儀來測量此球表面6萬個不同點之間的直徑；同時還用X射線來拍攝此矽晶體結構的圖像，以確定其原子之間的空隙和密度。通過其原子密度來計算此球的體積，每一個小組將得出其自己的計算結果，即一千克到底有多少矽原子。對這些測量數字來說，更為重要的事情是這些不同國家的計算結果要彼此吻合。

大師作品

其實，早在今年4月，澳洲聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）讓「阿伏加德羅計劃」小組製造此球，然而這一工作是一大挑戰。此矽使用前蘇聯的離心分離機提純過，該設備曾用於精煉製造核武器的鈾。此離心分離機將這些矽從同位素中分離出來，讓研究人員製造出最純的矽28。之後，此材料從俄羅斯運到了德國國家度量衡學學會，通過前東德生產矽的成熟設備製成了一個巨大的晶體。在6次實驗失敗之後，最終製成這個純矽晶體，並被切成了2塊5公斤的晶體塊，然後運送到了澳洲。

為加工成這對完美的矽球，澳洲精確光學中心（ACPO）請回了已退休的一輩子加工精確球的光學工程師阿其姆‧雷斯特勒，讓他最終製成了這一對矽球，成為他的晚年傑作。

光滑且圓

澳洲精確光學中心採用300年前的牛頓望遠鏡地面透鏡的類似技術。光學工程師用一對轉子手工磨製球體表面，經過幾個月的努力，製造出了這對直徑為93.75毫米的矽球。這對「完美矽球」球體非常接近理想球體，由球體中心至表面任何一點的距離誤差不超過0.3奈米，其彎曲率誤差為60～70奈米，且每一個球的質量都和澳洲的千克相符。這對球體99.99%是由矽28構成的，其晶體結構近乎完美。

雷斯特勒說：「如果將我們的球吹大到地球大小，你將在平滑球面上看到的小波紋只有大約12～15毫米，而圓周長誤差只有3～5米。」這在20年前是達不到這種圓滿程度，因為我們還不能看到這種微小的差異。此外，電腦處理技術的發展也使得我們能夠很快的計算測量數據，沿著球面旋轉的紡錘式的測量裝置可以辨別出球面與理想表面5奈米的誤差，這就使得研究人員能快速修正他們發現不完美的地方。

其它方法

然而，即使「阿伏加德羅計劃」小組不同國家的測量這個完美矽球同樣數量的矽原子，國際重量與測量委員會也將不會早早的採納他們的定義。這是因為一些度量衡學家認為「阿伏加德羅計劃」小組的精確矽球只是簡單的取代了另一個物理標準。

他們提議用其它辦法來和這一方法比試一下，比如所謂的瓦特平衡方法，即用磁場和電力來精確定義千克。美國國家標準技術學會的理查德‧斯坦勒支持這一方法，認為能量測量比物理屬性的測量球體直徑的誤差更小。然而，瓦特平衡方法也有問題，迄今為止，用瓦特平衡技術試驗的兩個小組得到的結果不一致，當然，斯坦勒的批評提出了一個理論問題。

這些百萬美元的矽球可能是世界上最圓的球體，但是否足夠圓呢？