質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)換個“球”？
這個“最圓的球”很有可能會成為新的國際千克原器。
美國科學(xué)家制作的瓦特平衡裝置。
現(xiàn)在使用的國際千克原器對保存條件的要求非常嚴(yán)格。
一組歐洲科學(xué)家制成了“最完美的球”。這個球有望取代鉑銥合金柱，成為新的“國際千克原器”，充當(dāng)質(zhì)量單位的依據(jù)。
近日，一群科學(xué)家拿出了一個號稱“世界上最圓最完美”的球。這個球體確實無比光滑美麗，但它并不是工藝品。它在未來可能會在科學(xué)研究中具有舉足輕重的意義，因為它有可能成為質(zhì)量的國際單位“千克”的全球新標(biāo)準(zhǔn)。為什么要確立千克的新標(biāo)準(zhǔn)，為什么要把這個球做得這么圓？這說起來是個很“纏”的故事，纏來纏去都要纏到1889年造的一個圓柱體。
1變遷過程
來之不易的“老圓柱”
1795年，1克被定義成1立方厘米水的重量，因為用水作為質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)既不方便也不準(zhǔn)確，制造更加實用化的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)器具成為必需，這一年曠日持久的千克標(biāo)準(zhǔn)確立工作開始了。
最初，科學(xué)家認(rèn)為0攝氏度時的水最穩(wěn)定，但后來他們發(fā)現(xiàn)水在密度最高時質(zhì)量最穩(wěn)定。經(jīng)過測定，在1個大氣壓下，4攝氏度的水密度最高。1799年，“水做的”國際千克原器被公布。
1889年，現(xiàn)在仍在使用的國際千克原器（IPK）終于被公布。這個千克原器是一個直徑和高度都是39.17毫米的金屬圓柱體，用90%的鉑和10%的銥制成。選用鉑為主要材料是因為它有很多優(yōu)點：它抗氧化的能力非常強(qiáng)，這樣不會吸收空氣中的氧，使得自身重量發(fā)生變化；它的密度很大，這樣可以減小原器的表面積，以減少組成物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能。它有著很強(qiáng)的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，并且很不容易被磁化，這些都有利于減少不穩(wěn)定因素。而金屬銥的添加則可以大大增加鉑的硬度，而對鉑的優(yōu)點損害很小。
科學(xué)家們制作了6個IPK，全都放在巴黎郊外的國際計量局（BIPM）總部里。中國計量科學(xué)院首席研究員張鐘華說，該局還制作了幾十個IPK的復(fù)制品，發(fā)往各個國家，中國擁有其中的兩個。
2提高要求
不斷漂移的質(zhì)量
問題是，IPK的質(zhì)量會隨著時間改變。張鐘華說，在上世紀(jì)40年代和上世紀(jì)80年代，國際計量局曾經(jīng)兩次召回各國的IPK復(fù)制品進(jìn)行比對，結(jié)果發(fā)現(xiàn)彼此都有偏差。國際計量局認(rèn)為這個偏差應(yīng)當(dāng)保持在5×10-8千克之內(nèi)，但是有的復(fù)制品的偏差已經(jīng)達(dá)到了10-7的量級。更糟的是，科學(xué)家也搞不清隨著時間的推移，IPK的質(zhì)量是應(yīng)該增加還是減少。因為空氣的氧化作用使它們增重，而稱重操作則會造成磨損，減少質(zhì)量。因為樣本太少，統(tǒng)計學(xué)方法也不好用�？茖W(xué)家們也迷惑了。
用一個不停變化的東西作為標(biāo)準(zhǔn)總不是個事。而且，很多物理量都和質(zhì)量息息相關(guān)。比如力學(xué)單位“牛頓”的定義就是，1牛頓可以讓1千克的物體獲得1米/平方秒加速度的力。IPK的不準(zhǔn)確會引發(fā)連鎖反應(yīng)。
現(xiàn)在，物理學(xué)的另外兩個基本單位，時間單位“秒”和長度單位“米”已經(jīng)有了基于電子技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)定義。1967年，1秒被定義為“133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級之間躍遷所對應(yīng)的輻射的9,192,631,770個周期的持續(xù)時間”；而在1983年，1米被定義為“光在真空中1/299792458秒的時間內(nèi)所通過的距離”。這兩個單位的標(biāo)準(zhǔn)值在可預(yù)知的時間內(nèi)不會改變。只有“千克”還在用一個實體做標(biāo)準(zhǔn)。正如張鐘華所說：“你這個‘千克’還要靠一個‘疙瘩’做標(biāo)準(zhǔn)，自己不準(zhǔn)確不說，還拖了整個計量的后腿，‘一粒老鼠屎，壞了一鍋湯’。大家都很著急”。
窮則思變，研制新的IPK就成了世界范圍內(nèi)的熱門項目。
3制作過程
硅球為啥這么圓
在各種IPK試制項目中，德、意、日、比、澳等國聯(lián)合進(jìn)行的“阿佛伽德羅計劃”是最有希望最終問鼎的計劃之一，它的目標(biāo)就是制作一個“最完美的硅球”。
這個球由99.99%純度的“硅28”制成。選擇硅作為材料是因為這種元素的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，并且當(dāng)代的半導(dǎo)體工業(yè)已經(jīng)能夠制造高純度的硅晶體�？茖W(xué)家們利用激光學(xué)干擾儀從球體表面上隨機(jī)選擇了60000個點，測量每個點彼此間的距離，以確保這個圓球體是世界上最完美最精確的。同時，科學(xué)家們利用X射線晶體檢測器來測量球體硅28原子之間的空間距離，確定在一些極端條件下該球體不發(fā)生明顯的原子變化。這個球是如此完美，即使把它放大到地球那么大，它的最高點也僅高出海平面2.4米，表面上只能看到12毫米到15毫米高的皺褶。
為什么要做得這么圓呢？張鐘華說，因為這個圓球的體積是根據(jù)硅原子的質(zhì)量算出來的。我們知道每個硅原子的質(zhì)量，又知道單位體積內(nèi)硅原子的數(shù)量，就可以計算出1千克硅所占的體積，算出來的值是直徑93.75毫米。如果要制造出這樣的球作為千克的標(biāo)準(zhǔn)，既要保證這個球體絕對的圓，直徑絕對的準(zhǔn)確，又要保證球里面的硅晶體沒有缺陷。
硅原子的質(zhì)量是怎么知道的呢？科學(xué)家精確地知道碳12原子的質(zhì)量，而其他原子的質(zhì)量可以根據(jù)碳12的質(zhì)量推導(dǎo)出來。那么，碳12的質(zhì)量又是怎么得出來的？這個質(zhì)量就是來自那個1889年的IPK。繞了半天，又回到“霸王標(biāo)準(zhǔn)”上了。
4質(zhì)量逐鹿
圓球有個競爭者
張鐘華表示，硅球雖然仍然是個實體，但它和1889年的IPK相比有本質(zhì)的區(qū)別。因為硅球是基于原子質(zhì)量計算而來的，所以可以重復(fù)，一個作廢了可以再造一個。而1889年的IPK還是用跟水質(zhì)量比較的方法制造出來的，所以不可能用基于計算的方法進(jìn)行復(fù)制。但是這個方案也有個問題，人們很難知道球里面有沒有缺陷，球的外觀可以很圓，很漂亮，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)很難保證。而且，硅的表面還可能會氧化，影響質(zhì)量的準(zhǔn)確性。
雖然硅球的“視覺效果”很好，但它絕不是現(xiàn)在惟一正在進(jìn)行的IPK研制項目。張鐘華說，其實英、法、美等國在搞的“瓦特平衡計劃”可能更有希望。“瓦特平衡”（Watt balance）的方法試圖用電子學(xué)的方式解決確立質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的問題。它其實是一個無比精細(xì)的電子秤，通過電磁感應(yīng)力在平衡物體上的重力，通過測量電流的方法來測定這個重力的大小，從而確定物理的質(zhì)量�，F(xiàn)在這種方式確定的質(zhì)量和IPK的誤差最小可達(dá)5.2×10-8。需要引入“重力”是“瓦特平衡”的軟肋，因為地球的重力加速度可能會變化，各地的重力加速度并不一致。而且，導(dǎo)線的形狀也會引起實驗結(jié)果的細(xì)微變化。
張鐘華表示，這兩個方案是同時發(fā)展。這兩種方法完成之后，如果都能和現(xiàn)在的IPK的差別小于2×10-8千克，那么就都能通過，如果不可以，那就很難說哪個能通過。確立新的IPK的項目開始說要到2011年完成，看來，這個計劃可能要推遲了�，F(xiàn)在希望能有人做出第三種方案，這樣保險系數(shù)更大一些。中國是兩種方案都在搞，這個項目政府很重視，希望能夠站在世界前沿領(lǐng)域。
