这个“最圆的球”很有可能会成为新的国际千克原器。
美国科学家制作的瓦特平衡装置。
现在使用的国际千克原器对保存条件的要求非常严格。
一组欧洲科学家制成了“最完美的球”。这个球有望取代铂铱合金柱，成为新的“国际千克原器”，充当质量单位的依据。
近日，一群科学家拿出了一个号称“世界上最圆最完美”的球。这个球体确实无比光滑美丽，但它并不是工艺品。它在未来可能会在科学研究中具有举足轻重的意义，因为它有可能成为质量的国际单位“千克”的全球新标准。为什么要确立千克的新标准，为什么要把这个球做得这么圆？这说起来是个很“缠”的故事，缠来缠去都要缠到1889年造的一个圆柱体。
1变迁过程
来之不易的“老圆柱”
1795年，1克被定义成1立方厘米水的重量，因为用水作为质量标准既不方便也不准确，制造更加实用化的质量标准器具成为必需，这一年旷日持久的千克标准确立工作开始了。
最初，科学家认为0摄氏度时的水最稳定，但后来他们发现水在密度最高时质量最稳定。经过测定，在1个大气压下，4摄氏度的水密度最高。1799年，“水做的”国际千克原器被公布。
1889年，现在仍在使用的国际千克原器（IPK）终于被公布。这个千克原器是一个直径和高度都是39.17毫米的金属圆柱体，用90%的铂和10%的铱制成。选用铂为主要材料是因为它有很多优点：它抗氧化的能力非常强，这样不会吸收空气中的氧，使得自身重量发生变化；它的密度很大，这样可以减小原器的表面积，以减少组成物质发生化学反应的可能。它有着很强的导电性和导热性，并且很不容易被磁化，这些都有利于减少不稳定因素。而金属铱的添加则可以大大增加铂的硬度，而对铂的优点损害很小。
科学家们制作了6个IPK，全都放在巴黎郊外的国际计量局（BIPM）总部里。中国计量科学院首席研究员张钟华说，该局还制作了几十个IPK的复制品，发往各个国家，中国拥有其中的两个。
2提高要求
不断漂移的质量
问题是，IPK的质量会随着时间改变。张钟华说，在上世纪40年代和上世纪80年代，国际计量局曾经两次召回各国的IPK复制品进行比对，结果发现彼此都有偏差。国际计量局认为这个偏差应当保持在5×10-8千克之内，但是有的复制品的偏差已经达到了10-7的量级。更糟的是，科学家也搞不清随着时间的推移，IPK的质量是应该增加还是减少。因为空气的氧化作用使它们增重，而称重操作则会造成磨损，减少质量。因为样本太少，统计学方法也不好用。科学家们也迷惑了。
用一个不停变化的东西作为标准总不是个事。而且，很多物理量都和质量息息相关。比如力学单位“牛顿”的定义就是，1牛顿可以让1千克的物体获得1米/平方秒加速度的力。IPK的不准确会引发连锁反应。
现在，物理学的另外两个基本单位，时间单位“秒”和长度单位“米”已经有了基于电子技术的标准定义。1967年，1秒被定义为“133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期的持续时间”；而在1983年，1米被定义为“光在真空中1/299792458秒的时间内所通过的距离”。这两个单位的标准值在可预知的时间内不会改变。只有“千克”还在用一个实体做标准。正如张钟华所说：“你这个‘千克’还要靠一个‘疙瘩’做标准，自己不准确不说，还拖了整个计量的后腿，‘一粒老鼠屎，坏了一锅汤’。大家都很着急”。
穷则思变，研制新的IPK就成了世界范围内的热门项目。
3制作过程
硅球为啥这么圆
在各种IPK试制项目中，德、意、日、比、澳等国联合进行的“阿佛伽德罗计划”是最有希望最终问鼎的计划之一，它的目标就是制作一个“最完美的硅球”。
这个球由99.99%纯度的“硅28”制成。选择硅作为材料是因为这种元素的化学性质稳定，并且当代的半导体工业已经能够制造高纯度的硅晶体。科学家们利用激光学干扰仪从球体表面上随机选择了60000个点，测量每个点彼此间的距离，以确保这个圆球体是世界上最完美最精确的。同时，科学家们利用X射线晶体检测器来测量球体硅28原子之间的空间距离，确定在一些极端条件下该球体不发生明显的原子变化。这个球是如此完美，即使把它放大到地球那么大，它的最高点也仅高出海平面2.4米，表面上只能看到12毫米到15毫米高的皱褶。
为什么要做得这么圆呢？张钟华说，因为这个圆球的体积是根据硅原子的质量算出来的。我们知道每个硅原子的质量，又知道单位体积内硅原子的数量，就可以计算出1千克硅所占的体积，算出来的值是直径93.75毫米。如果要制造出这样的球作为千克的标准，既要保证这个球体绝对的圆，直径绝对的准确，又要保证球里面的硅晶体没有缺陷。
硅原子的质量是怎么知道的呢？科学家精确地知道碳12原子的质量，而其他原子的质量可以根据碳12的质量推导出来。那么，碳12的质量又是怎么得出来的？这个质量就是来自那个1889年的IPK。绕了半天，又回到“霸王标准”上了。
4质量逐鹿
圆球有个竞争者
张钟华表示，硅球虽然仍然是个实体，但它和1889年的IPK相比有本质的区别。因为硅球是基于原子质量计算而来的，所以可以重复，一个作废了可以再造一个。而1889年的IPK还是用跟水质量比较的方法制造出来的，所以不可能用基于计算的方法进行复制。但是这个方案也有个问题，人们很难知道球里面有没有缺陷，球的外观可以很圆，很漂亮，但内部结构很难保证。而且，硅的表面还可能会氧化，影响质量的准确性。
虽然硅球的“视觉效果”很好，但它绝不是现在惟一正在进行的IPK研制项目。张钟华说，其实英、法、美等国在搞的“瓦特平衡计划”可能更有希望。“瓦特平衡”（Watt balance）的方法试图用电子学的方式解决确立质量标准的问题。它其实是一个无比精细的电子秤，通过电磁感应力在平衡物体上的重力，通过测量电流的方法来测定这个重力的大小，从而确定物理的质量。现在这种方式确定的质量和IPK的误差最小可达5.2×10-8。需要引入“重力”是“瓦特平衡”的软肋，因为地球的重力加速度可能会变化，各地的重力加速度并不一致。而且，导线的形状也会引起实验结果的细微变化。
张钟华表示，这两个方案是同时发展。这两种方法完成之后，如果都能和现在的IPK的差别小于2×10-8千克，那么就都能通过，如果不可以，那就很难说哪个能通过。确立新的IPK的项目开始说要到2011年完成，看来，这个计划可能要推迟了。现在希望能有人做出第三种方案，这样保险系数更大一些。中国是两种方案都在搞，这个项目政府很重视，希望能够站在世界前沿领域。
