快捷搜索:

为此他们造出了有史以来最圆的球,世界上最对

日期:2019-12-22编辑作者:澳门新葡8455手机版

图片 1

2019年5月20日,注定是一个人类科技史上的大日子。在这一天,伴随着千克新定义的正式生效,人类完成了利用物理常数来定义国际单位制中全部七个基本单位的任务。从今以后,千克的定义将不再依赖于某些具体实物,而是建立在永恒不变的物理常数之基础上。

(本文由 Nautilus 授权转载,译/金牙)如果你曾尝试给自己剪头发,你就会知道让一个东西完全对称是多么的困难。我们之所以认为对称如此重要,部分是因为对称真的很难。

新千克被定义为hsm^-2/(6.62607015×10^-34),由h、s共同定义。

以下是人类制造的五个最对称的东西,以及为什么它们这么难造。

为了实现千克的重新定义,世界多国科学家进行了常人难以想象的艰苦探索。从基布尔秤的不断改良到阿伏伽德罗常数的重新测定,科学家们从两种截然不同的角度实现了利用普朗克常数定义千克的最终目标。由于基布尔秤的相关文章已有不少,这篇文章将会着重介绍以精确测量阿伏伽德罗常数为切入点的第二种方案。在这一目标的实现过程中,不仅有多国团队间的精诚团结,更有山穷水尽时的峰回路转。

引力探测器B的石英陀螺仪转子

2004年,承载着测试广义相对论使命的引力探测器B(GP-B)随着德尔塔II型火箭被发射入太空。地球轨道卫星包含一系列陀螺仪,这些陀螺仪可以测量广义相对论预测的两个现象:时空的曲率(测地线效应),以及大物体引起的时空扭曲(参考系拖拽)。为了测量这些项目,陀螺仪必须极其精准。大于每小时一千亿分之一度的偏差都会使实验尽毁。相比而言,用在潜艇、军用飞机上的标准陀螺仪的精准度比这个实验要求的低了超过一千万倍。

图片 2一个陀螺仪转子。图片来源:NASA

构造一个精准陀螺仪的关键在于创建完美对称的转子——它是一个快速旋转的元件,让陀螺仪保持其方向。这些转子必须完全平衡,并且在内部也要完全均匀。GP-B的团队用在巴西生长、在德国烤制的纯石英块制作了这些球体。每个陀螺仪的表面几乎是完全球形的,起伏不到10^-9米。

依据《吉尼斯世界记录大全》,这是人类制作的最圆物体。制作这一球体的斯坦福团队声称比这更完美的球体只有中子星。

世界上最精确的秤

阿伏伽德罗计划的千克硅球

涉及到完美球体,GP-B的唯一真正竞争者就只有不久后将定义千克的球体了。这个球体出自“阿伏伽德罗计划”,光原料就耗资超过百万美元。它的目标是代替国际千克原器(IPK)。在国际单位制(本质上的公制系统)中,千克是最后一个还使用物理客体——一个由铂铱合金制成的圆柱体——而不是物理原理定义的单位。这个圆柱体被置于三层嵌套的钟罩里,目前就放在巴黎市外的一间有空调的地下掩体里。

图片 3这个一公斤球体分割自一整块纯度99.9995%的硅-28晶体。图片来源:wikicommons

问题在于,对比置于其他国家的40个相似圆柱体,现在的IPK已经丢失了一丁点重量,这对于用作定义质量单位的物体来说是一个重大缺陷。因此阿伏伽德罗项目人员制作了两个棒球大小的、近似完美的球体,完全由硅-28原子制成,应当能永久保持在精确的一公斤。这些硅原子在俄罗斯进行了纯化,用的是前苏联曾用来制作核武器的离心机。之后纯硅被运至德国,在那里生长成晶体。

得到的球体和完美球形只有25纳米的距离,它也许迟早会撼动引力探测器B球体的“最圆”头衔。“如果你把我们这些球体放大到地球大小,你将会看到大约12~15毫米的微小涟漪,并且将只有3到5米的圆度变化。”澳大利亚联邦科学工业组织(CSIRO)的首席光学研究者阿奇姆·雷斯纳说。

现在这些球体已经完成制作了,不同国家的研究人员将尝试测量它们包含的确切原子数量,以获得关于什么是一千克质量的普遍标准。

由于之前的千克基准器一直由保存在法国的国际千克原器担纲,科学家们早就担心这一承负着人类度量体系的“圣物”某天发生不测。此外,千克原器到目前为止已经产生了一亿分之五的质量偏差,精度上已经不能满足诸多高精尖科技领域的需求。因此,对千克重新进行定义的呼声从上世纪中叶就已经开始了。

李群E8

抛开物质世界的种种麻烦现实,数学家已经能够想象出极其对称的结构。例如李群E8就是一组248种不同类型的对称结构,适用于一个理论上的57维对象。这个结构在18世纪末就有理论推演,但直到最近,英国和德国的研究者才宣布制造出了一个物理系统,能在真实世界里代表E8的存在。

图片 4用线手绘的E8根系统,依据的是由密歇根大学数学家约翰·斯坦布里奇有名的计算机图形。图片来源:wikicommons

为了看到E8对称性,研究人员把由钴和铌制成的晶体冷却到接近绝对零度的温度。然后他们向该晶体施加磁场,当他们增加磁场的强度时,其中的电子自旋产生了一种模式,表明它们遵循E8结构。看到这种模式出现,不仅意味着我们有能力造出非常对称的东西——它也暗示在量子世界中有隐藏的对称性,而这种对称性决定着电子如何组织自己。

图片 5

泰姬陵

大多数人永远不会和GP-B陀螺仪或硅-28千克球有什么关系。但如果他们去印度旅行,他们可以接触到一个极为对称的结构。泰姬陵是为皇帝沙贾汗掩埋死于分娩的妻子玛哈尔而建造的陵墓。 沙贾汗希望这个建筑代表和谐的关系,他要求建筑师设计两侧对称的效果。结果这个建筑从宏观规划一直到装饰的细节都包含着对称的细节。

图片 6

泰姬陵 图片来源:wikicommons

泰姬陵通常被认为是建筑物对称的重要例子,但是很难确定所有建筑物中最对称的是哪个,因为有许多建筑师都在他们的设计中把对称性放在主要地位。事实上很长一段时间里,数学和建筑学本质上是相同的学科,而建筑师向来喜欢那些翻转之后依然不变的建筑。

国际千克原器,此前千克被定义为它的质量

黑曜石耳塞

即使使用当前技术,手工制造真正对称的东西也是困难的。这就是为什么这些据说有数百年历史的惊人对称的耳饰品被阴谋论者们紧盯不放,他们认为这些耳饰不可能在没有现代工具的辅助下手工制作出来。考古学家却未敢苟同。这些耳塞确实制作相当精美,但是它们并非由外星人或者使用现代机器的江湖骗子制造——制造者只是手艺极为精湛的阿兹台克人罢了。挖掘出耳塞作坊的考古学家说很多耳塞都是由石头、陶器和木制手工工具制作而成的。

图片 7玛雅男人和女人佩戴由骨头、木头、贝壳和石头(翡翠、黄玉、黑曜石)制成的鼻饰、耳塞和唇塞。 图片来源:Pinterest

“令人感到惊奇的不仅有他们拥有的技术和精确度,还有这些耳塞竟然没有损坏地保存至今。”北卡罗来纳州立大学的人类学家约翰·米哈瑟(John Millhauser)说。他们在墨西哥北部的扎热特昆发现了类似的耳塞。因此,虽然可能看起来超自然,但这些耳塞其实只是一个有关惊人手工技艺的事例。(编辑:Ent)

图片 8

本文由 Nautilus 授权果壳网(guokr.com)编译发表,严禁转载。 

由于普朗克常数和千克之间存在运算关系,利用普朗克常数定义千克就成为了千克新定义的选项之一,问题随之变成了如何精确测定普朗克常数。1975年,英国国立物理学研究所的布莱恩.基布尔(Bryan Kibble)提出了一种后来被命名为基布尔秤的装置模型,这一装置可以利用电磁学原理精确测量出物体的质量。

由于电压和电流单位都可以用包括普朗克常数在内的一些物理常数进行定义(相当于电磁力可以准确地用普朗克常数表示),因此利用精确测得的已知质量,基布尔秤有望以极高的精度获得普朗克常数。从1975年开始,科学家们不断改良基布尔秤,令其测得的普朗克常数精度逼近乃至超过国际千克原器一亿分之五的水平。

图片 9

基布尔秤,可以用砝码的质量准确“称量”电磁力

进入2000年后,基布尔秤对普朗克常数的测量精度已经足够满足千克新定义的要求,且多国都在自己的基布尔秤上取得了一致性很高的数据,看起来这项工作到此为止就可以圆满收工了。然而,由于各国的测量方式都是基于同一种原理,万一基布尔秤本身存在某些所有人都未曾想到的设计缺陷,由它获得的数据又怎么能作为人类度量体系的柱石呢?

科学家们把目光转向了另一个常数,阿伏伽德罗常数。阿伏伽德罗常数和普朗克常数间存在换算关系,且拥有相同的不确定度。如果能够精确测量出阿伏伽德罗常数,也就能以相同的精度得到普朗克常数。这种方式基于完全不同的技术路线,将其获得的结果与基布尔秤实验进行对比,就能够相互验证普朗克常数的测量精确性,再基于此确定千克的新定义。

不过,前所未闻的精度要求意味着前所未有的艰难险阻,对阿伏伽德罗常数实施精确测量的尝试从一开始就绝非坦途。

简单的原理,不简单的路径

阿伏伽德罗常数的定义是一摩尔某种物质中所含有的组成粒子数,是一个沟通宏观世界和微观世界的桥梁。在数值上,阿伏伽德罗常数等于元素的摩尔质量除以这种元素一个原子的质量。即:

图片 10

M为元素X的摩尔质量,m为元素X单个原子的质量。直接基于这个定义测量阿伏伽德罗常数需要以极高精度直接测出单个原子的质量,这是目前的科技水平所无法实现的。不过,实际操作中,如果研究对象是某种物质的立方晶体形态,阿伏伽德罗常数的定义可以写为如下的形式。

图片 11

其中n为这种晶体中单个晶胞内原子的数目,n与具体的晶体形态有关,当晶体确定下来时n也随之确定。a为这种晶体的晶格常数,ρ为晶体密度,两者可以尝试利用现有技术进行精确测定。

因此,问题到这里就转化为了测量什么样的晶体可以获得最为精确的晶格常数和密度数据。这种晶体首先需要有非常规则的内部结构,如果内部满是缺陷,必然会影响高精度条件下的测量。其次,这种晶体必须有非常稳定的理化性质,如果易于同氧气和水发生反应,那么在空气中生成的氧化膜和腐蚀产物就会影响对密度的测量。再次,这种晶体必须是现有技术条件能够尝试制造的。

最后,一种接近“完美”的候选晶体成为了科学家们的“天选之子”,这就是半导体工业中常见的单晶硅。当它以立方晶体的形态出现时,n=8(单个晶胞中含8个硅原子)随着半导体工业的持续进步,人们如今已经能够获得纯度极高的大块单晶硅。且硅的理化性质非常稳定,虽然会生成几个纳米厚度的氧化膜,但是氧化膜一旦生成厚度就不再增加。

图片 12

单晶硅的晶胞

平均摩尔质量暗藏机关,俄罗斯核原料离心机重出江湖

目标确定之后,接下来便是挑战人类极限的精确测量。第一道难关是如何获得足够高精度的摩尔质量M。在高中课本中我们学到过元素的同位素,也计算过某种元素原子的平均摩尔质量。平均摩尔质量考虑了每种同位素的丰度及每种同位素原子的摩尔质量,在绝大多数情形下能够满足精度要求。

本文由澳门新葡8455手机版发布于澳门新葡8455手机版,转载请注明出处:为此他们造出了有史以来最圆的球,世界上最对

关键词:

要么出版,如何快速识别糟糕的研究

(译 /红猪)笔者没本事了然科学,最少没技艺驾驭整个。笔者无可奈何一年读9000篇天体物管理学散文,不容许的事...

详细>>

澳门新葡8455手机版:2016诺贝尔奖,实至名归

因为在拓扑相变和物质拓扑相方面的开创性工作,索利斯(David J.Thouless)、霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)和科斯特里兹...

详细>>

欧洲大型强子对撞机重启,把头伸进粒子加速器

这就要说回我们最初的问题了:当一束接近光速的亚原子粒子撞上人的血肉,结果将会如何?也许因为粒子物理的概...

详细>>

父亲直到临终时都没原谅我曾放弃中国国籍,都

然而,这位首位获得“图灵奖”的华人科学家2004年辞去普林斯顿终身教职,正式加盟清华大学高等研究中心。57岁的...

详细>>