世界上有完美的球體嗎?科學家打造的最完美球體,仍然有偏差

2022年07月02日14:57:11 科學 1495

當你去細心觀察宇宙的時候,就會發現大部分天體的形狀都是球體,雖然有些球體看起來不是那麼圓,比如長得像「核桃」一樣的土衛六,但是從根本來說,大家還是非常相似的。而當人類發現球體的奧秘時,就一直在嘗試,怎樣把它打磨得更加完美

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宇宙中的球體

那麼,這個世界上真的沒有完美的球體嗎?科學家打造的最完美球體,依然有偏差。

科學家打造的「最完美球體」

球體狀的東西在人們的日常生活中還是很常見的,並且從咱們的肉眼來看,那些普通的球體就已經很圓了,但是在科學家「差之毫厘失之千里」的嚴格要求下,普通的球體就有些上不了檯面了。

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圓滾滾的撞球

正因如此,科學家想打造出一種最完美的球體。據悉,這個打造的過程長達5年,先後投入了200萬歐元左右。

在這個「完美球體研究組」當中,有來自各國、各個領域的頂尖科學家,他們在一起合作商議,為的就是讓該項目進展得更加順利。

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科學家在對最完美球體做測量

這個製造完美球體的項目代號為「阿伏伽德羅」,阿伏伽德羅本身是一位傑出的物理學家和化學家,著名的阿伏伽德羅定律就是出自他的研究。而為了能讓這顆球體更加完美,科學家從規劃打造過程到選擇材料,都十分用心。

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阿伏伽德羅

許多人可能不理解,不就是造個球體嗎,能有這麼多困難

實際上,打造完美球體的第一步,就是測量球體的體積,這個過程中不僅要使用高精度干涉儀,還要使用光學晶檢器

前者的目標是測量數萬個球面的點,後者則是檢測組成球體的「原子」之間的距離和結構。

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需要測量原子距離

可見,這計算球體的體積可不是用公式隨便代入一下就搞定了,而是已經深入到微觀層面了,與其說是在測量,不如說是在給這個球體做解剖手術。

在確定了體積的模型之後,就要尋找合適的材料,挑來選去最終確定了使用硅28,這原材料還是使用離心機分離出來的。這個過程也不是一帆風順的,前後經歷了幾次失敗,最終才得到硅28製成的晶體。

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硅元素

到這兒還沒結束,因為雖然打造的時候是按照前面的計算來規劃的,但是這個球體依舊不夠完美。因此,最後一步就是「打磨」。

咱們中國人總說「玉不琢,不成器」,而在這些科學家眼中,這顆球也是不打磨,就不完美。

並且這種打磨是非常精細的,不是利用機器,而是人工。就這樣,一眾人圍著這顆球忙活了很久,最終將其直徑控制在了93.75毫米,讓其圓度達到了0.3納米。

簡單來說,這個「球體」的表面上任何一個點,到其中心的距離,誤差都能夠控制在3倍的原子直徑當中。

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手工打磨

可見,雖然耗時五年,並且有這麼多專業人士的助力,但是這個最完美的球體依舊有偏差。即便這個偏差從我們的肉眼來看是根本看不出來的,可是依舊不能將其斷定為「完美」。

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看似完美,仍有誤差

說到這兒,可能大家會覺得這種實驗完全就是在浪費時間,畢竟早在實驗的開始,科學家就想到了,當尺度從微觀層面出發,這個球就不可能做到完美。既然這樣,為什麼還一定要費時費力地打造它呢?

一千克到底有多重?

大部分人小時候都聽過這樣一個腦筋急轉彎,那就是「一千克棉花和一千克鐵塊」哪一個更重。那時,可能許多人會脫口而出鐵塊更重。如今我們雖然知道了這就是一個文字遊戲,但是對於一千克到底有多重,又是如何被定義的問題,我們還是不甚了解的。

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關於1千克的腦筋急轉彎

因此,科學家打造的這顆直徑為93.75毫米的球,其實就是為了來「定義千克」。這顆球的重量為1千克,它在誕生之後被用來和幾個國家的「千克原器」進行比較,驗證這些千克原器到底夠不夠精準。

要知道,各個國家的千克原器雖然在誕生之初是標準的,但是它們會隨著環境的影響,漸漸地出現誤差

資料顯示定義「千克」的實物,是一塊用90%鉑10%銥打造的標準砝碼。但這種實物基準容易受環境影響,法國的IPK過去100多年來增重了50微克,導致與質量有關的測量出現偏差。

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千克原器

可見,此前的一千克已經不適用於現在了,在這種情況下國際計量委員會決定,要將一千克的精確度再次提升,使用普朗克常數為基準,來重新定義質量單位。

在這種情況下,全世界的千克原器都迎來了變革和校準,人們矯正千克的時候也不再會使用到大K,而是使用基布爾秤。

對於這種變化負責計量校準的斯多克表示,「諾貝爾獎得主夏爾·愛德華·紀堯姆認為目前的千克定義可以用1萬年,這顯然過於樂觀了。我不確定這會不會是最後一次重新定義千克,但新定義應該足以用上一段時間。」

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基布爾秤的結構

綜上所述,不論是那個接近完美的球,還是科學家做出的一些其他工作,本質上都是為了讓基本單位實現量子

這在普通人看來有些多此一舉,畢竟千克再怎麼精確,對我們日常生活的影響似乎都很輕微。但是在科學家看來,這是為了助力未來科學發展必須要做的事情。

為什麼要將計量單位量子化?

首先,隨著人類的科技進步,諸多高端領域對於精度的要求越來越嚴格,這些領域當中往往要求誤差越小越好。這種誤差可不是肉眼能否分別這麼簡單了,就是要近乎於完美才可以,畢竟基本單位必須要在物理上得到復現,不能只是理論上完美,一到實驗中,就出現各種偏差。

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高精度領域需求

其次,就是我們如果一直用現實中的大K來定義單位,那麼就要接受它在日常環境中的破損和變化。千克原器的變化往往是我們始料未知的,如果每年都對它進行測量和校準,也很耽誤事。

最後就是此舉其實是人類科技進步的表現,過去我們雖然也知道量子化會更加標準,可是卻沒有那種條件。

如今雖然也不能做到盡善盡美,但是好歹在不斷接近了,所以為了能讓基本單位顯得更加「科學」,重新定義是很重要的。

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將單位量子化

其實人類在追求探索世界的過程中,做了許多看起來似乎沒必要的事情,因為這些事情哪怕過了幾千年,甚至上萬年都不可能得到完美的結果。但是我們卻必須要去做,因為有時候結果不是最重要的,重要的是探索的過程。

完美雖遙不可及,但追求永無止境

以咱們普通人的視角來看,打造完美球體似乎沒什麼用,同理,不停地計算圓周率或者實驗逼近絕對零度也沒什麼意義。

但實際上,諸多璀璨的理論成果,都是在這些實驗中誕生的,人類其實不是在追求完美的「果」,而是想在這個過程當中找到更多的「因」。

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「最完美球體」

圓周率來說,咱們都知道它是一個不循環小數,所以哪怕再怎麼算,也不會從中找到任何的規律。可即便是這樣,科學家依舊會使用超級計算機,來算出小數點後的更多位。

這不僅凸顯了人類堅持探索的恆心,對驗證計算機的性能也有著重要的意義。而像絕對零度的實驗也是,我們只能無限地接近零下237.15℃,卻永遠無法達到它。

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人類對圓周率的探索

可是科學家不會因為知道「實驗沒有大結局」就放棄實驗,因為許多真理都是在看似無意義的探索中得到的,它需要長久的積澱。其實這不僅適用於科學研究,也適用於我們的人生,畢竟完美雖遙不可及,但追求永無止境。

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探索永無止境

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