世界上有完美的球体吗?科学家打造的最完美球体,仍然有偏差

2022年07月02日14:57:11 科学 1495

当你去细心观察宇宙的时候,就会发现大部分天体的形状都是球体,虽然有些球体看起来不是那么圆,比如长得像“核桃”一样的土卫六,但是从根本来说,大家还是非常相似的。而当人类发现球体的奥秘时,就一直在尝试,怎样把它打磨得更加完美

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宇宙中的球体

那么,这个世界上真的没有完美的球体吗?科学家打造的最完美球体,依然有偏差。

科学家打造的“最完美球体”

球体状的东西在人们的日常生活中还是很常见的,并且从咱们的肉眼来看,那些普通的球体就已经很圆了,但是在科学家“差之毫厘失之千里”的严格要求下,普通的球体就有些上不了台面了。

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圆滚滚的台球

正因如此,科学家想打造出一种最完美的球体。据悉,这个打造的过程长达5年,先后投入了200万欧元左右。

在这个“完美球体研究组”当中,有来自各国、各个领域的顶尖科学家,他们在一起合作商议,为的就是让该项目进展得更加顺利。

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科学家在对最完美球体做测量

这个制造完美球体的项目代号为“阿伏伽德罗”,阿伏伽德罗本身是一位杰出的物理学家和化学家,著名的阿伏伽德罗定律就是出自他的研究。而为了能让这颗球体更加完美,科学家从规划打造过程到选择材料,都十分用心。

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阿伏伽德罗

许多人可能不理解,不就是造个球体吗,能有这么多困难

实际上,打造完美球体的第一步,就是测量球体的体积,这个过程中不仅要使用高精度干涉仪,还要使用光学晶检器

前者的目标是测量数万个球面的点,后者则是检测组成球体的“原子”之间的距离和结构。

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需要测量原子距离

可见,这计算球体的体积可不是用公式随便代入一下就搞定了,而是已经深入到微观层面了,与其说是在测量,不如说是在给这个球体做解剖手术。

在确定了体积的模型之后,就要寻找合适的材料,挑来选去最终确定了使用硅28,这原材料还是使用离心机分离出来的。这个过程也不是一帆风顺的,前后经历了几次失败,最终才得到硅28制成的晶体。

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硅元素

到这儿还没结束,因为虽然打造的时候是按照前面的计算来规划的,但是这个球体依旧不够完美。因此,最后一步就是“打磨”。

咱们中国人总说“玉不琢,不成器”,而在这些科学家眼中,这颗球也是不打磨,就不完美。

并且这种打磨是非常精细的,不是利用机器,而是人工。就这样,一众人围着这颗球忙活了很久,最终将其直径控制在了93.75毫米,让其圆度达到了0.3纳米。

简单来说,这个“球体”的表面上任何一个点,到其中心的距离,误差都能够控制在3倍的原子直径当中。

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手工打磨

可见,虽然耗时五年,并且有这么多专业人士的助力,但是这个最完美的球体依旧有偏差。即便这个偏差从我们的肉眼来看是根本看不出来的,可是依旧不能将其断定为“完美”。

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看似完美,仍有误差

说到这儿,可能大家会觉得这种实验完全就是在浪费时间,毕竟早在实验的开始,科学家就想到了,当尺度从微观层面出发,这个球就不可能做到完美。既然这样,为什么还一定要费时费力地打造它呢?

一千克到底有多重?

大部分人小时候都听过这样一个脑筋急转弯,那就是“一千克棉花和一千克铁块”哪一个更重。那时,可能许多人会脱口而出铁块更重。如今我们虽然知道了这就是一个文字游戏,但是对于一千克到底有多重,又是如何被定义的问题,我们还是不甚了解的。

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关于1千克的脑筋急转弯

因此,科学家打造的这颗直径为93.75毫米的球,其实就是为了来“定义千克”。这颗球的重量为1千克,它在诞生之后被用来和几个国家的“千克原器”进行比较,验证这些千克原器到底够不够精准。

要知道,各个国家的千克原器虽然在诞生之初是标准的,但是它们会随着环境的影响,渐渐地出现误差

资料显示定义“千克”的实物,是一块用90%铂10%铱打造的标准砝码。但这种实物基准容易受环境影响,法国的IPK过去100多年来增重了50微克,导致与质量有关的测量出现偏差。

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千克原器

可见,此前的一千克已经不适用于现在了,在这种情况下国际计量委员会决定,要将一千克的精确度再次提升,使用普朗克常数为基准,来重新定义质量单位。

在这种情况下,全世界的千克原器都迎来了变革和校准,人们矫正千克的时候也不再会使用到大K,而是使用基布尔秤。

对于这种变化负责计量校准的斯多克表示,“诺贝尔奖得主夏尔·爱德华·纪尧姆认为目前的千克定义可以用1万年,这显然过于乐观了。我不确定这会不会是最后一次重新定义千克,但新定义应该足以用上一段时间。”

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基布尔秤的结构

综上所述,不论是那个接近完美的球,还是科学家做出的一些其他工作,本质上都是为了让基本单位实现量子

这在普通人看来有些多此一举,毕竟千克再怎么精确,对我们日常生活的影响似乎都很轻微。但是在科学家看来,这是为了助力未来科学发展必须要做的事情。

为什么要将计量单位量子化?

首先,随着人类的科技进步,诸多高端领域对于精度的要求越来越严格,这些领域当中往往要求误差越小越好。这种误差可不是肉眼能否分别这么简单了,就是要近乎于完美才可以,毕竟基本单位必须要在物理上得到复现,不能只是理论上完美,一到实验中,就出现各种偏差。

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高精度领域需求

其次,就是我们如果一直用现实中的大K来定义单位,那么就要接受它在日常环境中的破损和变化。千克原器的变化往往是我们始料未知的,如果每年都对它进行测量和校准,也很耽误事。

最后就是此举其实是人类科技进步的表现,过去我们虽然也知道量子化会更加标准,可是却没有那种条件。

如今虽然也不能做到尽善尽美,但是好歹在不断接近了,所以为了能让基本单位显得更加“科学”,重新定义是很重要的。

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将单位量子化

其实人类在追求探索世界的过程中,做了许多看起来似乎没必要的事情,因为这些事情哪怕过了几千年,甚至上万年都不可能得到完美的结果。但是我们却必须要去做,因为有时候结果不是最重要的,重要的是探索的过程。

完美虽遥不可及,但追求永无止境

以咱们普通人的视角来看,打造完美球体似乎没什么用,同理,不停地计算圆周率或者实验逼近绝对零度也没什么意义。

但实际上,诸多璀璨的理论成果,都是在这些实验中诞生的,人类其实不是在追求完美的“果”,而是想在这个过程当中找到更多的“因”。

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“最完美球体”

圆周率来说,咱们都知道它是一个不循环小数,所以哪怕再怎么算,也不会从中找到任何的规律。可即便是这样,科学家依旧会使用超级计算机,来算出小数点后的更多位。

这不仅凸显了人类坚持探索的恒心,对验证计算机的性能也有着重要的意义。而像绝对零度的实验也是,我们只能无限地接近零下237.15℃,却永远无法达到它。

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人类对圆周率的探索

可是科学家不会因为知道“实验没有大结局”就放弃实验,因为许多真理都是在看似无意义的探索中得到的,它需要长久的积淀。其实这不仅适用于科学研究,也适用于我们的人生,毕竟完美虽遥不可及,但追求永无止境。

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探索永无止境

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