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我可以吧它拿起来吗?
你必须得保证你会很小心。
我保证我会非常小心的。 我会特别小心的。 我发誓。
-好的。它很滑,一定要小心。 -好了,我们准备好了吗?
我准备拿的东西是用1kg硅-28 原子做的球体。这里大概有2.15x10^25个原子。
摸起来真的很精致。这东西真的很惊人。
除了它的制造者外,我是世上能拿起这个球体 仅有的几个人之一。
制作这个的原始材料贵达100万欧元 -- 但现在
这么完美的雕刻出来了 --
这值多少钱?
这是无价的了。 ... 这个是世界上最圆的物体。
你怎么能肯定这是最圆的?地球不也挺圆的么?
如果这是地球,
如果这是地球,那么最高的山峰和最低的低谷会... 相距大约14米
真的很惊人。真的是很圆。
但是为什么会有人花一百万欧元和上千小时的人力完善一个纯粹的,
抛光的硅球呢?
答案是坟墓。其实是原法语发音为'grave'。 (坟墓的英语单词也是grave)
最初,grave是测量质量的国际主单位
国际住单位成为了 “Systeme International d'unites”或"SI units" (SI单位)。 1793年,
一个包括拉瓦锡(一位著名的科学家和贵族)的佣金和将质量的国际住单位定义为
冰融化时(0°C)一立方分米水的质量 -- 其实就是一升
冰水(的质量)。“grave”这个名字从拉丁语“gravitas”而来。 “gravitas”在拉丁语中为重力的意思。
但是“grave”注定持续不了: 它与当时的贵族称号'graf'发音太相近了。
当时的“graf”相当于今日的伯爵。 同时法国大革命正在如火如荼的进行中,
人人都在振臂高呼人人平等, 不可能有一个单位比其他单位更重要。
拉瓦锡因此失去了他的头, 不是因为他帮助制定了
一个史上最好的测量系统之一, 而是因为他身为贵族在收税。
所以事情真的联系到坟墓了。
新的共和政体政府认为一“grave”会太大了,
所以他们一致同意使用“克”,一“grave”的一千分之一
但是他们很快就发现一克太小了, 他们就又开始使用“grave”了,但
既然他们不能用“grave”这个名字, 他们发明了“千克”--一千“克”。
这是为什么千克是唯一一个带有前缀的国际住单位。
1799年,一千克被重新定义为4°C时一升水的质量--
水密度最大时的质量。 但是水本身显然不是
被用作一个质量标准的最合理的物质。 因此有人制造除了一个纯铂金属圆柱,
质量与用水定义出来的一千克相等。 这个铂圆柱被命名为“Kilogram of the Archives”(档案馆公斤)
很重要的是,从此以后千克不再和水
一定体积下的质量有关了 -- 定义规定档案馆公斤就是“一千克”。
90年后(1889年),人们用铂铱合金制造出了一个圆锥, 代替了前有的“一千克”(档案馆公斤)。
这个新圆锥虽硬度比前面制造出的更大, 但基本与原圆锥相同。至今为止,
它仍然是定义中的一千克。 它正式被叫做“国际公斤原器”
虽然人们经常会叫它“Le Grand K” -- 或Big K (大K)。噢,它大概这么大。
这是全宇宙中唯一一个质量为一千克整的物质,
因为它就是“一千克”。 千克同时也是唯一一个用一个指定物质定义的国际主单位。
它坐在三个钟罩下面, 周边有6个“姐妹千克”。
这七个千克在一个严格控制温度的保险库里。 开启此保险库需要三把在不同人手中的钥匙。
保险箱在国际计量局的地下室里。 最后,国际计量局在巴黎郊外。
但如果你能破入那个保险箱,同时篡改了大K, 你会将
千克的定义--一个人类很依靠的定义--改变。
然后将会引发世界陷入混乱! 其实没那么夸张,但我们怎么能
知道大K的质量是否变了呢?
大K被制造出来的时候,人们同时也做了 40个相同的副本。这些副本并不是
和大K一摸一样的:副本的质量跟 大K相近,但人们把那些偏差
记录下来了。这些副本被送至世界上各个国家,
作为各个国家内(千克)的标准。
1948年,各个千克被从新统一了起来, 当人们从新测量了这些千克的质量时,问题出现了。
虽然所有的圆柱都是用同一种合金做成的, 同时也在几乎相同他和条件下保存的,
它们的质量差变大了。 大K的质量都不跟
它六个在相同条件下保存的“姐妹圆柱”相同了! 跟槽糕的是,当他们
40年后再次被统一起来的时候, 它们质量差变得更大了,
(相差最大的)相差到了50毫克 - 差不多是一个手指印的质量。但手指印不是
产生问题的原因,因为在重新测量这些千克 之前,人们都把它们仔细洗过了。
可推出一定有莫种变化将圆柱体的质量改变了, 但是具体
是怎么改变的人们不知道。 但我们能确定铂铱合金的
质量并不是一成不变的。这是一个比较严重的的问题了。 人们不能有一个不断改变自己
的单位。 同时,这个问题不仅存在于质量单位
因为在7个国际住单位中, 有四个单位取决于一千克的质量,
更不用提像牛顿、焦耳、伏特、瓦特这种推导出的单位了。
现在那些没使用国际住单位的国家,
是的,我是指利比里亚,缅甸,以及美国,你们 应该对自己的质量主单位
磅比较满意,因为它不再取决于一个物体了。 不,
现在一磅的定义是整整0.45359237
千克。所以你们不用得意了。
可明显地看出我们需要 做出什么东西来使一千克脱离一个物体而存在。
这就是硅球的用处了。 但具体这是怎么回事呢?
这里是一个物体,虽然是一个很漂亮的球, 但还是一个物体。
你们是想(让千克定义)脱离物体的。 我是们正在想办法脱离物体,
但我们用这个球是想数出来里面原子的个数。
你们无法数出里面原子的个数吧?
是数不出来, 但可以计算出里面原子个数。
这是硅,(硅晶体)里面 原子排列非常整齐
-- 所以这个就像一个完美的硅晶体? -- 是的。
这不仅是纯硅制造的,同时还只包括一种 硅的同位素:硅-28。
这就是原材料那么贵的原因。
-- 为什么要做成球体呢? -- 因为球体是一个比较方便(计算原子数)的物体。
当你知道它的直径时, 你就可以吧知道整个球体的体积了。
这解释了为什么这个球体一定是
人们制造的最圆的物体了, 但是具体是怎么制造一个那么圆的球的呢?
我们其实是从一个过大的球体开始的。 开始时它的直径比现在打两毫米。
然后我们就只用研磨逐步将它磨的越来越精细。
其实是控制原子了。 就是想办法在原子级别上控制一个
物体的形状了。 -- 但做这个物体只是成功的一半,
人们还需要精细的测量出它的直径。 -- 我们其实是用激光测它的直径的
我们是把球体放在一个空腔的中间, 然后用激光从两边
射向球体。我们实质上测的是 两个激光间的距离。
知道了球体的直径后可算出球体体积。 然后竟然科学家精确的知道
硅原子原子间隙,我们可求出球体里硅原子个数。
我们可以用这个来从新定义阿伏伽德罗常数。 现在阿伏伽德罗常数的定义取决于千克。
NA现在的定义为:12克碳-12原子的个数。
但有了这个硅球,硅球里的原子数将用来
修改阿伏伽德罗常数, 然后阿伏伽德罗常数就可以用来从新定义千克了。
这样就算硅球丢掉或被损坏了, 都不会影响到千克的定义。
因为千克的定义会是一个概念而不是一个物体了。
-- 你想让千克正式的定义变为(类似于)“一千克是
2.15x10^25个硅-28原子?” -- 是的。
-- 这会发生么? -- 有一定的可能,其实很高的可能性
它会发生。 (独白部分)但还有令一种重新定义千克的方法,
这方法是想用“瓦特秤”(Watt Balance)改变布朗克常数。
这两种方法是互补的。 两者分别可以用来检查是对方,
同时如果两者定义千克相差不大,
差20毫克以内人们可能早达2014就可以重新定义千克了。 千克这样终于可以是一个
恒定的物理量了, 再也不是被在巴黎莫个地下室保险柜里的物体所定义了。
如果一千克原定义是一升水在4°C时的质量,这个精确度怎么样?
一升水在4°C左右的质量约为999.975克。
所以我认为这个可以从两个角度看待。 一方面,你可以说一千克
比水定义出来的要大一点, 另一方面,214年前,科学家们
制作出了一个错误率很小的定义。
这真的很出色了。 如果你想了解更多有关瓦特称的资料,
请在下方留言,我会看一下我可以做些什么。 我感觉这个(瓦特称)是修改千克的领跑者。
所以我们可以等着看会发生一些什么。
最后一件事,我感觉我应该指出这个硅球是通过
国际合作做出来的, 但你不感觉发现硅元素的科学家
也应该接收到一些名誉么? 1787年,
拉瓦锡发现了硅元素,所以他从 开始到结束都有“参与”千克的定义,
也可以说从摇篮到坟墓(grave)。