这是地球上最圆的东西。为什么有人费心去制作它？

使用一些非常光滑的球，您可以改变世界。

硅球的特写，类似于阿伏加德罗常数测量中使用的硅球。

图片来源：NIST

有几种方法可以回答这个问题：“世界上最圆的东西是什么？ ”，你选择哪一个可能取决于你的科学知识和理智水平。例如，对于我们这些对物理学不太熟悉的人来说，自然的反应可能是这样的：“这是什么样的问题？我该如何测量圆度？！ ” 

另一方面，如果您对科学更满意，您的想法可能会想到将熔融金属从高处投入水中的结果 - 这是地球上最接近让它们在零重力下冷却的事情，并且发现的最早大规模生产霰弹枪弹药的方法之一。

但如果你是一个真正的科学迷，那么只有一个答案具有分量：国际阿伏加德罗计划的硅球。

steel硅球

七个高度抛光、高度戒备的球体散布在地球各地，远至澳大利亚、美国、德国、日本等地。它们每一个都是独特的、几乎不可能完美的形状，由国际科学家和政府组织联合创建，并且创建它们的目的只有一个：从根本上改变世界。

这听起来像是漫威新大片的场景，但国际阿伏加德罗项目——自 20 世纪 90 年代初以来一直活跃的世界各地研究人员的合作项目——是 100% 真实的。正是他们委托这些球体进行精确的细节设计，这些球体全部由联邦科学与工业研究组织（CSIRO）（澳大利亚负责科学研究的政府机构）创建。

那么“圆”究竟是多圆呢？好吧，这么说吧：它们的表面“非常光滑，如果把它们炸到地球那么大，最高的山和最深的海洋之间的距离只有 3 到 5 米（大约 10 到 15 英尺），”美国国家标准与技术研究所 (NIST) 指出，该研究所是参与国际阿伏加德罗项目的组织之一。

它解释说：“被称为光学干涉仪的设备使研究人员能够以纳米精度测量球体的宽度。” “每副镜片的成本约为 320 万美元，并且必须由镜头大师手工制作。 ”

我们承认，所有这些都很酷——但这在某种程度上提出了一个问题……

为什么？

Ceci n'est pas un kgme

你知道之前我们说过这是唯一有分量的答案吗？嗯，这就是我们业内人士所说的“伏笔”。 

“阿伏加德罗项目 [...] 旨在使用完美的硅球来准确确定阿伏加德罗常数（一个基本物理常数）的值，”Powerhouse 博物馆指出，该博物馆自 2016 年以来一直保存着一个球体原型。 

它解释说，从那时起，目标是“根据阿伏加德罗常数重新定义千克。 ”

现在，您可能想知道为什么我们需要甚至想要重新定义千克 - 特别是如果您在美国，因此还没有习惯旧版本 - 但这样做是有充分理由的， 实际上。你看，早在 18 世纪，当公制首次出现时，第一个定义都是基于自然世界：米是北极和赤道之间距离的百万分之一，沿着北极测量穿过巴黎的线路；升为一立方米水的体积的 1/1,000，在冰的熔点下测量；千克就是真空中水的质量。

确定这些定义后，法国科学院开始将其正式化。 1799 年，他们委托实物来说明这些单位：一根正好长一米的铂金条，和一个正好重一公斤的圆柱体 - 被亲切地称为 Le Grand K，或大K。

虽然花了一段时间，但事实证明这些新的测量方法在全世界都很流行，1875 年，包括美国在内的 17 个国家签署了《米制条约》，成立了度量衡大会。在巴黎附近的塞夫尔建立了一个永久实验室，作为国际米和公斤原型的所在地，同时向所有签署者发送了复制品，以帮助传播和标准化公制好消息。

只有一个问题。

虽然这个精确、标准、可验证的度量衡系统比它的各种前身要好得多（即“无论我们感觉如何，处理它”），但它有一个致命的缺陷：它完全基于物理对象。对于那些设计这一切的人来说，地球的周长似乎是一个不变的自然常数，但事实上它一直在变化——事实上，整个事情从一开始就很奇怪，因为科学家们的任务是计算出来的长度实际上错了0.2毫米，而且没有人纠正最终的数字。

正是由于这个原因和其他原因，在 20 世纪，人们开始提倡根据更精确的自然常数重新定义单位。米是根据各种光频率的第一波长来定义的，最终在 1983 年被定义为“光在真空中在 1/299,792,458 秒内传播的路径的长度”——如果您想知道我们如何知道光速精确到每秒米，这就是原因。 

第二个被定义为“9,192,631,770 个辐射周期的持续时间，对应于铯 133 原子基态的两个超精细能级之间的跃迁。 “温度将设置为玻尔兹曼常数，这是一个热力学数字；摩尔——我们测量某种物质而不是哺乳动物的量的单位——被固定为 6.02214076×1023 基本实体的物质量，又名阿伏加德罗常数（记住那个；这很重要）。

但公斤呢？这仍然被定义为“锁在塞夫尔实验室中的那块铂金的质量”。 

现在，这很不方便，但直到 1989 年，人们才意识到这到底有多大问题。 “当[原型公斤]首次创建时，还制作了 40 个相同的复制品，”德里克·穆勒 (Derek Muller) 在 2013 年为他的 YouTube 频道 Veritasium 制作的视频中解释道。 

“它们并不完全相同，”他补充道。 “它们的质量与 Big K 略有不同，但这些偏移被记录下来。 ”

但到了 1989 年，这 40 公斤的质量都略有不同——相差高达 50 微克。 “某些物理过程实际上肯定改变了圆柱体的质量，”穆勒解释说，“但具体如何运作仍然是一个猜测。 ”

无论如何，这是一个大问题。他指出：“你不可能有一个可以改变其值的单位，”特别是当七个 SI 单位中超过一半的单位都依赖于它自己的定义时。显然，我们需要做点什么——但是做什么呢？

称重并查看

2005年，国际计量委员会第94次会议正式建议根据通用常数重新定义千克。委员会决定，最好的选择是使用普朗克常数。

但其他科学家有不同的想法。 “由于阿伏加德罗常数的当前定义取决于物质的质量，科学家们推断他们可以通过逆向工作来利用这种关系，”NIST 解释道。 “不过，首先，他们需要更精确地定义[常数]——相对不确定性仅为十亿分之二十——以便基于阿伏加德罗常数的新千克定义能够在准确性和可靠性方面与当前标准竞争。 ”

基本上，该计划是用精确已知数量的一些非常精确已知的东西构造一些物体，然后据此定义千克。听起来您可能会遇到与以前相同的问题 - 您正在基于物理对象定义一个单位 - 但事实上，它比这聪明得多。

如何换算一公斤

硅球提供的功能比 Big K 所能提供的要多得多。 “即使硅球丢失或损坏，也不会对千克的定义产生影响，”穆勒解释说，“因为它不是由物理物体而是由概念来定义。 ”

也就是说，如果您对国际标准基本单位的定义取决于计算物体中原子的数量，那么您的计算就必须非常非常精确 - 这就是为什么球体需要是这么圆。 

“选择球体作为理想形状是因为它没有角或边缘（以最大限度地减少碎裂和磨损），”Powerhouse 解释道，“而且因为——只要可以制造出足够完美的球体——体积就可以根据单个测量值计算出来。参数（直径）。 ”

与此同时，它继续说道，“选择硅而不是其他元素[...]，因为电子工业中已经存在生产和操作超高纯度硅的成熟工艺。这也很方便，对于给定的“方便”值：硅28同位素的质量已知，并且其晶格的空间参数是规则的，这两者都有助于计算硅28同位素中的原子数。领域。

制造球体是一个漫长的、全球性的过程：研究人员必须“生长”硅锭；然后另一个团队将把它们打磨、光滑并塑造成精确到原子水平的球体。你可能会认为这完全是浪费时间——毕竟，最终选择的定义确实是基于普朗克常数的。

但是，“尽管测量科学家选择普朗克常数作为重新定义的基础，但也可以使用其他自然常数，”NIST 指出，“如果没有其他原因，只是为了检查普朗克常数的定义是否正确。 ”

嘿：如果不出意外的话，至少他们从中得到了一些真正闪亮的球。当然，这并不是坏事。