（来源：网络）
撰写者 |苏成宇
评论 |皮肤
地球上哪个物体最接近真正的“圆”？
答案不是大自然的恩赐，而是人类技术的巅峰杰作——超纯硅制成的球体。
来源：nist
有多圆？如果硅球有地球那么大，那么在这个硅球上，最深的峡谷和最高的山峰之间只有5米……几乎完美。
这个球体不是一个随机实验，而是一个科学奇迹，它的名字被写入了物理学的传奇：阿伏加德罗计划。
阿伏加德罗计划 来源：sci-
目前，世界上有七个阿伏加德罗项目硅球。这些球体的制造成本极其昂贵，每个球体价值约三百万美元。这七个硅球被用来精确测量阿伏加德罗常数，以重新定义千克的质量标准。
其极高的精度对于确保国际单位制的一致性和稳定性至关重要。这些球体也是世界上最精密的科学仪器之一，代表了人类在科学测量领域的最高水平。
这个故事要从20世纪90年代开始。国际单位制的定义面临着前所未有的危机：最初的千克标准是一个存放在巴黎的由铂铱合金制成的圆柱体，随着时间的推移，质量发生了轻微的变化。总之，1公斤已经不是1公斤了，不准确。
原始公斤标准大K 来源：BIPM
这种漂移是无法预测和控制的，对于那些依赖精确测量的科学领域来说是不可接受的。尤其是在制药、材料科学、精密制造等领域，微小的质量变化就会导致实验结果不一致，从而影响产品质量和安全。这些领域需要绝对稳定的质量标准，以确保全球测量和生产的一致性。
因此，一群来自世界各地的科学家决定寻找一种不会随时间变化的新质量标准。
德国物理学家安德烈亚斯博士是该项目的核心人物之一。曾任德国国家计量研究所（PTB）高级研究员，专注于精密测量和计量研究。在阿伏加德罗项目期间，安德烈亚斯博士领导了硅球的制造和测量，确保了其前所未有的精度。他曾在接受采访时提到，“我们的目标不仅仅是制造一个物体，而是让它成为自然常数的一部分。”于是，一个大胆的想法诞生了：通过制作完美的硅球来重新创造世界。定义质量标准，准确地说是硅 28 球。
资料来源：MDPI
那么为什么选择硅28同位素呢？
由于硅具有极高的热稳定性和机械强度，因此不易受到温度、湿度或压力等环境变化的影响。而且硅本身具有良好的化学惰性，净化后几乎不会与空气中的氧气或其他化学物质发生反应，保证了其在长期储存过程中表面和体积保持稳定。
自然界中硅主要有三种同位素：硅28（92.23%）、硅29（4.67%）和硅30（3.10%）。硅28占绝对多数，因此提纯硅28比其他同位素更经济、技术上可行。
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纯硅28完全由同种原子组成，消除了不同同位素之间质量和原子半径差异造成的误差。这种均匀性对于计算原子序数和晶格参数至关重要。
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这个硅球是由99.9999%的超纯硅制成的，但为什么不是100%呢？
这是因为在现实中，真正的 100% 纯度几乎不可能达到。即使是最先进的纯化技术也难以完全消除痕量杂质，因为在原子水平上，任何材料都会受到外部环境中其他原子的影响。这些微小的杂质可能在提取、加工甚至储存过程中进入材料中。达到99.9999%的纯度已经是极限了。进一步纯化不仅成本极高，而且还面临原子相互作用和设备物理极限等技术挑战。
相比之下，铂铱合金虽然具有较高的密度和防腐性能，但由于长期暴露在环境中，其表面会吸收空气中的污染物，如水分、二氧化碳和有机化合物，从而导致微观的腐蚀。质量损失。这种质量变化是不可预测的，即使是很小的变化也可能导致多年来质量定义的不一致。
科学研究表明，铂铱合金公斤原型在不同环境下存在不可忽略的质量漂移，这些漂移被认为是由材料的化学不稳定性和长期表面氧化造成的。
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为什么阿伏加德罗的项目选择球体作为硅基准体的形状？
球体的完美对称性使得可以使用数学模型精确计算其表面积和体积，这对于测量至关重要。与其他形状（例如立方体或不规则物体）相比，球体的对称性最大限度地减少了误差，从而确保了测量的高度一致性和可重复性。
如果选择其他形状，表面积和体积的测量复杂性会急剧增加，导致更多误差累积。此外，球形可以最大限度地减少表面不均匀性的影响，这对于计算准确的原子序数至关重要。
更重要的是，球体在受力时形状是均匀的，这意味着球体在运输和储存过程中不太可能变形，确保其物理性能保持稳定。这种稳定性正是重新定义 SI 单位制时所需的基础。
来源：互联网
硅球的制造过程极其复杂。
首先，从天然硅中分离出硅28同位素。此步骤需要使用气体离心机等高精度设备，将硅的纯度提高到99.9999%，以保证最终产品的质量和稳定性。
然后，通过化学气相沉积（CVD）将高纯硅28气体沉积在籽晶上，生长大尺寸单晶硅锭。此过程需要在超净环境中进行，以防止杂质的引入。
来源：互联网
接下来，将单晶硅锭切割成接近球形的毛坯。切割过程中需要高精度的金刚石刀具，以保证尺寸精度。毛坯经过多次精密研磨和抛光，逐渐接近完美的球形。在此过程中，使用纳米级磨料和抛光液来确保表面尽可能光滑和圆润。
资料来源：美国公共广播公司
为了确保球的每个部分都近乎完美，科学家们还使用了激光干涉测量和X射线晶体分析等先进技术进行测量。根据测量结果，对球体进行微调，直至其偏差控制在纳米级。这些技术不仅帮助他们确保了球的完美形状，还为后来通过计算原子数量来定义阿伏加德罗常数铺平了道路。
基于这个硅球，科学家们能够精确计算出近乎完美的阿伏加德罗常数，从而为国际单位制的新定义提供了稳定的基础。这样，公斤的定义告别了铂铱合金的漂移误差，实现了真正的全球统一标准。
2018年11月16日，一场具有重大历史意义的科学会议在法国凡尔赛宫召开。这一天，全世界的科学家告别了一个“放弃的”：国际公斤原型——139年来定义“1公斤”的铂铱合金圆柱体。
这个保存了一百多年的铂铱合金圆筒，曾经是全球重量单位“1公斤”的基准。图片来源：NIST
相反，它是今天推出的世界上最圆的球。它成为基于自然常数的千克的新定义。
图片来源：马萨和卡洛·萨索
从地球的角落到原子的世界，人类从未停止过对极致的追求。而这个硅球不仅圆了物理学的梦想，也让我们看到了科学本身的无限可能。
这不仅是一个关于质量单位的故事，更是一次对人类灵魂的探索——对极致美的不懈追求，一次从微观到宏观的伟大旅程。
参考：
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