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-一公斤-长什幺样子-!及世界最圆的物体

一个多世纪以来,在法国萨弗瑞的一座地窖中,一个如高尔夫球大小、上了锁的圆柱体,确立了全世界一公斤的準确质量。

国际公斤原器又被称为大K,是一个闪着微光的铂铱合金物体,它是同类中硕果仅存的一个。其他所有的度量衡标準单位,都已根据固有自然常数而重新定义。例如,公尺原本是用一根金属棒代表,但在1983年已被重新定义为1/299,792,458秒内,光在真空中运行的距离。一群各国来的科学家希望公斤也可以如法炮製,并且一劳永逸地捨弃这些过时的方法,使全球的度量衡系统恢复平衡。上週,他们发表了一项研究结果,透过计算出最为精确的亚佛加厥常数——比宇宙的星星数量还更多的原子,或许可以彻底结束对新的重量的等待。而那个数字是原子世界与可见世界的桥梁。
公斤不可思议地缩水
大K的诞生故事,听起来像个童话。圆柱形的人工製品是在国际度量衡大会的指导下铸造的,大会在1889年如皇室般下令:「从今以后,这个原器应被视为质量的单位。」
一个多世纪以来,这个公斤被封在国际度量衡局的三个玻璃钟罩里,保护它不受灰尘、湿气、指印和其他外来世界的污染损坏。只有三个各有一把钥匙的保管者一起,才能取出大K。
凝视水晶球。这个硅晶球是世界上最圆的物体,可以帮助科学家解决公斤单位的问题。了解球体的製造过程以及它们为何是无价之宝的原因。
40个一模一样的仿製品被送往全球各地,以校準公斤的单位。这些圆柱体只重聚过三次,以进行比对。每一次,大K和它的双胞胎们都被仔细地以酒精和乙醚擦拭,经过蒸气清洁,然后秤重。1992年,科学家们不安地发现,大K不知为何变得比它的手足轻了一些。
没有人确知到底发生了什幺事。而且因为大K的质量是和其他圆柱体比较量测而来,不清楚究竟是它的重量一直在下降,或是它在世界各地的其他仿製品不断地在变重。或许,逐渐累积的污染物是原凶,例如从实验室的温度计中渗出的水银。有一个研究人员甚至为了试图解决这个问题,因此创造了清洁圆柱体的新标準作法:使用紫外线。
「我们很怕碰到它,」史蒂芬.施纳格说,他是美国国家标準技术研究院电子公斤计画的首席科学家,「可能会擦掉一些原子或什幺东西」。
摩耳人
虽然重量的差异很小——大约是50微克,或说是大约一粒小沙子的大小——但在讲求精準的领域中,如医药界或工程界,这种不稳定是不被允许的,因为微小的差异可能会引发一连串问题。
更重要的是,这不只是质量的问题而已。许多其他的现象——力量、压力和能量——都要靠公斤来计算度量。一个不断变动的公斤单位,会导致其他类似的单位变得不能确定,例如瓦特和伏特。
终于在2011年,国际度量衡大会以全体55位代表一致赞成的票数,同意根据一个物理常数来重新定义公斤,计画预定在2018年完成。其中一个正在研究的方法,会以一个根据亚佛加厥常数而来的单位取代大K。
亚佛加厥常数是以一个19世纪的化学家之名来命名,也被称为摩耳——拉丁文的moles,是「一堆」之意,用来代表一群原子或分子集合体的词。就像一打鸡蛋代表有12颗鸡蛋,或是一令纸有500张,1摩耳原子约有602,214,082,000,000,000,000,000个单独的原子。
这个数字有多大?「把有亚佛加厥常数那幺多的棉花糖,均匀铺在全美50州,会产生一张逾97公里深的棉花糖地毯,」1978年《化学教育期刊》的一篇文章提到。
化学家利用亚佛加厥常数,将原子等级的尺寸转换为公克。
那样的关係可以用来确定公斤的质量。
计算亚佛加厥常数
为了计算亚佛加厥常数,研究人员需要一个产生完美晶体的物质,里面每个原子占的空间大小完全相同。
那个物质就是硅。科学家计算了一公斤硅的反射球体中的原子数。就像计算口香糖机里的口香糖那样,他们测量那个闪亮球体的大小,并算出里面可以容纳多少原子。
这个在《物理与化学参考资料期刊》发表的结果,是有记录以来最精确的亚佛加厥常数值,误差只有0.000000018。
再过几年,我们或许终于能让大K功成身退。有没有人需要纸镇?

出处

原来"公斤"长这样呀!

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