世界上存在完美的球体吗?科学家打造的最完美球体仍然有偏差

                                                                                                   时间: 2024-03-12 12:11:05   作者: 小型卧螺离心机

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世界上存在完美的球体吗?科学家打造的最完美球体仍然有偏差

  世界上有完美的球体吗?科学家创造的最完美的球体还是有偏差的一个球体。后来也有人渐渐意识到了这件事,并通过实践证明了。而当我们用望远镜观察星空时,我们得知宇宙中充满了各种各样的球体。它们与地球的外观非常相似,也有一些非常不同。

  经过多年的研究,人类发现世界上可能没有完美的球体。无论是我们脚下的地球,还是宇宙中的行星,都不是“完美”的。但科学向来喜欢挑战不可能,于是科学家们齐心协力打造出最完美的球体,但测量后发现还是有偏差。

  这个完美球体由美国、日本、意大利等国的科学家一同研究制作。这一个项目的代号是“阿伏伽德罗”。用这一个名字作为项目代号大概是为了纪念意大利著名物理学家、化学家阿伏伽德罗。他提出的阿伏伽德罗常数对今天的物理学做出了重要贡献。

  根据相关介绍,这一个项目历时5年多。在一般人看来,这多少有些不可理解。它只是创建一个“球体”。有这么难吗?做一个球体并不难,毕竟很多人小时候都用过橡皮泥。但是想要打造出完美的球体,就得一次又一次地测量和打磨,非常麻烦。

  为了让这个球体趋于光滑完美,科学家们选择使用硅28来制作。还要求硅28的纯度尽可能高,最好是99.999%。因此,为了提取高纯硅28,科学家们辗转数个国家,最后甚至借用了前苏联用来制造核武器的离心机。99.999%还是差了点。

  原材料备齐后,科学家们开始根据各自的职责,计划怎么来制作这个“完美球体”。首先,用离心机制备的高纯度硅片进行了测量和实验,以确定纯度的准确值。经过反复6次实验,将硅28制成晶体。终于在澳大利亚联邦科学与工业研究组织的实验室完成。完成前,“它”游历了几个国家,多次打磨。可以说,它的命运非常坎坷。

  说起来,happyending应该是科学家们说的最完美的球体吧。但现实往往不如人意。经过测量,发现它的值还是有偏差的。与其他球体相比,这个偏差很小,但在严谨的科学家眼里,“一丁点差一千里”。

  据介绍,这个球体的直径为93.75毫米,被认为是世界上最圆的物体。即使把球体放大到地球那么大,光滑的球体上也只能看到约1215毫米的小波纹,而圆周误差只有3到5米。

  那么,为什么科学家们不遗余力地创造这个球体呢?难道仅仅是为了向大家证明现实中没有完美的球体吗?显然不是。科学家创造这个球的初衷是为了定义1公斤是多少,所以它的数值要尽可能准确。也就是说,完美球体在物理世界中的作用,就像我们在生活中想要看到的“重量”一样,代表着1公斤的定义。

  相关报道指出:为了验证球体的准确性,科学家们使用X射线晶体探测器测量了球体中硅28个原子之间的空间距离,确定球体没发生显着变化某些极端条件下的原子变化。

  要知道,物理世界的一个标准,会影响很多领域的科学研究。如果初始值错误,那么当后续出现错误链时,人们甚至找不到原因,非常严重。

  最完美的球体本来是为了代替原来1kg的圆柱体,所以即使和理论的完美球体有一定的偏差,也不会再打磨。毕竟打磨就从另一方面代表着品质的下降,有悖于制作的初衷。

  从上面的相关介绍能够准确的看出,科学家们耗费了五年多的时间进行研究,却始终未能创造出一个完美的球体。虽然因为质量不能再丢了而停止了研磨,但是必须得说,即使经过几十年的研磨,完美的球体在现实世界中是不存在的。为什么是这样?羊毛布?

  “完美球体大约有乒乓球那么大,外层涂有一层超薄铌层。一个完美球体的误差大约只有四十个原子(小于10纳米)。”

  由此可见,无论我们怎么努力,还是会有误差,即使误差只是一个微小的40个原子。要知道,物质是由无数的基本粒子组成的。即使我们大家都知道了具体的“大小”,也很难完全统计出微小的粒子并让它们按照我们的想法分布在球体上。

  再说,完美的球体是相对的,为什么这么说呢?因为从物理学的角度来说,完美的球体只能出现在绝对失重的环境中,而这个球体不能“自转”。如果在现实世界中,用肉眼是不可能直接看到一个完美的球体的,因为它需要位于一个“完美的平面”上。不然就算是制造出来的,压在平面上也会变形。

  不过,值得一提的是,依照我们肉眼可见的偏差范围,科学家们使用高纯硅28制作的球体其实是完美的。为何会出现它的错误,是因为物理学界把观察的尺度放在了微观层面。

  现实世界中确实没有完美的球体,因为无论我们如何努力,都很难克服一些现实因素的影响。但在理论上,一个完美的球体是存在的。比如在数学领域,我们很容易得到存在于“纸上”上的完美球体。不过,这种只存在于理论上的东西,对我们来说是没有一点意义的。

  大家还记得我们之前提到的宇宙中的很多行星吗,它们的形状各不相同。其中一个,被一些人认为是一个“完美的球体”,它的名字是中子星。熟悉宇宙天文知识的人,应该对中子星这个神奇的天体并不陌生,毕竟它是迄今为止人类发现的密度仅次于黑洞的天体。

  还有一些中子星自转速度很快,可以发出闪烁的光,就像舞厅里闪烁的“光球”。说中子星是完美球体的人指出,如果中子星的自转速度足够慢,的直径差会非常小,大约一个质子大小。但是中子星是不能停止自转的,只要在自转,就好像一个“椭圆”。必须要格外注意的是,我们肉眼很容易看到这一个椭圆。因此,完美的球形中子星只存在于理论上,现实世界中并不存在。

  科学家用这个“完美的球体”来代替原来定义1千克的物体,那么这个代替成功了吗?比起那个物件的磨损,这个完美的球体确实可以替代,但是千克的定义在之后的几年又进化了,所以这个球体,花了很多钱去建造,最终它的命运应该是“搁置”或者“展览”。

  其实千克的定义经历了多次演变。作为计量单位,它的定义当然会随人类认识世界的角度和深度而变化。作为国际单位制的七个基本单位之一,kg于1791年首次被定义,当时科学界是按长度定义的,规定1立方分米的纯水是4°C时质量为1kg。

  这样看真的很不方便。如果你仍然使用千克的这个定义,那么你在大多数情况下要一个在你的秤前面有刻度的试管。称重前要找纯净水,把温度控制在标准4摄氏度以内,非常麻烦。后来在1882年,英国庄信万丰公司生产的KIII被用作国际千克原型,随后这个原型的质量在第一次国际度量衡中得到确认1889年会议规定为1千克。

  PerfectSphere要换掉的这个国民公斤原型,是一个“直筒”,高39毫米,底径39毫米。采用铂铱合金,具有高硬度、高熔点、高耐腐蚀性的特点。值得一提的是,国际千克原型的铂金含量为90%,铱含量为10%,合金密度为21500kg/m3,添加铱是为增加其抵抗腐蚀能力能。

  之后,国际度量衡局也抄了几份,分发到一些国家。将正品与仿品作对比后发现,质量值发生了约50微克的变化。这个错误让大家认为应该重新考虑一下千克的定义,或者这个神器应该换成更准确的东西。

  在2018年第26届国际计量大会上重新定义了千克,这次是用普朗克常数定义的。因为普朗克常数永远被定义为6.62607015×10-34J·s,所以科学家们可以用这个固定值推导出一公斤的质量。

  具体定义是:取普朗克常数的稳定值为6.62607015×10-34,然后用焦耳×秒的单位表示,相当于kg·m2s-1,这里分别表示米和秒由c和ΔνCs来定义。科学界认为,用普朗克常数来定义千克的数值,就好比让米成为光速的单位,这样的做法极具跳跃性。当然,为完成这个新的定义,科学家们也付出了数十年的努力。

  为此还使用了一个精密的Kibble秤,看起来有点像天平,但它可以平衡机械力和电磁力。已经生产出纯度99.9999%的硅在描述完美球体的材料时,我们提到它是由离心机提纯的高纯度硅制成,据悉,这样一种材料99.9999%以上是硅28,剩下的不到百万分之一是硅29。

  实验室的科学家们认为,这种高纯度的硅对于构建和使用量子信息系统很重要,可以为未来的量子计算奠定基础。看到这个地方,不禁感叹。我们不仅对浩瀚的宏观世界知之甚少,在探索的微观世界中也遇到了很多困难。

  当一个全新的科学理论诞生后,人们发现,原来我们以为能看到的全世界,不过是世界的一根“女发”而已。科学是一门不断被质疑才能慢慢的提升的学科。