它是世界上一个圆形物体，一个价值千万，它的存在可以改变命运…

哪个物体在地球上最接近真正意义上的“圆”？

答案不是大自然的礼物，而是人类科技的巅峰杰作——超纯硅制成的球。

有多圆？假如硅球有地球那么大，那么在这个球上，只有最深的山峰和最高的山峰之间。 5 米饭...几乎完美。

这个球不是一个随机的实验产物，而是一个科学奇迹，它的名字被写进了一个物理传说：阿伏伽德罗计划。

目前，世界上有7个阿伏伽德罗计划的硅球，制造成本极高，每个硅球价值约300万美元。这7个硅球被用来准确测量阿伏伽德罗的常数，以重新定义公斤的质量标准。

它们的高精度对于保证国际单位制的一致性和稳定性尤为重要。这些球也是世界上最精密的科学仪器之一，代表了人类在科学测量领域的最高水平。

这个故事应该从20世纪90年代开始。当时国际单位制的概念面临着前所未有的危机:原来的KG标准——一个存放在巴黎的白金合金制成的圆柱体，随着时间的推移，质量略有变化。总之，1公斤不再是1公斤，不允许。

这种漂移是不可预测和控制的，对于一些依赖精确测量的科学领域来说是不可接受的。特别是在医药、材料科学、精密制造等领域。，细微的质量变化会导致实验结论的不一致，从而影响产品的质量和安全性。为了保证全球测量和生产的一致性，这些领域需要绝对稳定的质量标准。

所以，一群来自世界各地的科学家，决定寻找一个全新的质量标准，不会随着时间的推移而移动。

安德烈亚斯博士，德国科学家，是该计划的核心人物之一。他曾经在德国国家计量研究所（PTB）担任高级研究人员，致力于精密测量与计量研究。安德烈亚斯博士在阿伏伽德罗计划中领导了硅球的生产和测量，确保其达到前所未有的精确度。“我们的目标不仅仅是制造一个物体，而是让它成为自然常数的一部分，”他曾在采访中提到。“所以，一个大胆的想法诞生了：通过制造完美的硅球来重新定义质量标准，准确地说是硅-28球。

那为什么选择硅-28同位素呢？

硅因其高热稳定性和机械强度，不易受到环境变化(如温度、湿度或压力)的影响。而且硅本身化学惰性好，纯化后基本不会与空气中的氧气或其他化合物发生反应，从而保证其表面和体积在长期储存中保持稳定。

硅-28(92.23%)是自然界的三大同位素。、硅-29(4.67%)和硅-30(3.10%)。硅-28占绝对多数，所以纯化硅-28比其他同位素更经济，技术更可行。

净化后的硅-28全部由相同的原子组成，消除了不同同位素之间质量和原子半径差异带来的误差。这种均匀性对于计算原子数量和晶格参数尤为重要。

但是为什么不是100%呢？

因为在现实中，真正的100%纯度几乎是不可能达到的。即使是最先进的净化技术，也很难完全消除少量杂质，因为在原子级别上，任何材料都会受到外界环境中其它原子的影响。在提取、加工甚至储存过程中，这些细小的杂质可能会进入材料。纯度达到99.9999%已经是一个极限，进一步净化不仅成本极高，而且面临着原子间相互作用和设备物理极限的挑战。

与此相比，铂金合金具有高密度、耐腐蚀的特点，但由于长期暴露在环境中，表面会吸附空气中的水、二氧化碳、有机物等污染物，从而导致细微的质量消耗。这种质量变化是不可预测的，多年后，即使是细微的变化也会导致质量定义的不一致。

科学研究表明，铂金合金KG原装设备在不同环境下有不可忽视的质量漂移，这些漂移被称为由材料的化学多变性和长期表面氧化引起的。

为何在阿伏伽德罗计划中选择圆球作为硅标物体的形状？

球形对称完美，通过数学模型可以准确计算其表面积和体积，这在测量中尤为重要。与正方体或不规则物体等其他形状相比，球体对称最大限度地减少了偏差，保证了测试的高度一致性和准确性。

如果选择其他形状，表面积和体积的检测复杂度会急剧增加，从而导致更多的偏差积累。此外，球形最大限度地消除了表面不均匀性的影响，这对于计算准确的原子数尤为重要。

更重要的是，当受力时，球体的形状是均匀的，这意味着球体在运输和储存过程中不容易变形，从而保证其物理特性的稳定性。这种稳定性是重新定义国际单位制所需要的基础。

硅球的制作过程非常复杂。

第一，硅-28同位素是从天然硅中分离出来的。为了保证最终产品的质量和稳定性，这一步需要使用气体离心机等高精度设备，将硅的纯度提高到99.9999%。

此后，通过化学气相沉积法将高纯度硅-28气体沉积。（CVD）大型单晶硅锭附着在种子晶体上生长。这个过程需要在超干净的环境中进行，以避免引入杂质。

然后，将单晶硅锭切成接近球形的粗糙。在切割过程中，需要使用高性能的钻石工具来保证尺寸的准确性。粗糙的毛坯经过多次精确的研磨和抛光，逐渐接近完美的球形。在此过程中，使用纳米级研磨剂和抛光液，以确保表面光泽度和圆度达到极限。

科学家们还使用激光干涉仪和X射线晶体分析等先进技术进行检测，以确保球体的每一个部分都近乎完美。根据测量结果，对球体进行微调，直至其偏差控制在纳米级别。这一技术不仅帮助他们保证了球体的完美形状，而且为以后通过计算原子数来定义阿伏伽德罗常数铺平了道路。

基于这个硅球，科学家们可以准确地计算出一个几乎完美的阿伏伽德罗常数，从而为国际单位制的新定义提供了稳定的基础。通过这种方式，公斤定义告别了铂合金的漂移偏差，实现了真正的全球统一标准。

2018年11月16日，一场历史性的科学大会正在法国凡尔赛宫举行。这一天，全世界的科学家一起向一位“让位者”告别:国际公斤原装——过去139年定义为“1公斤”的铂金合金圆柱体。

取而代之的是今天介绍的世界上最圆的球。这已经成为基于自然稳定常数的新千克定义。

从地球的角落到原子的世界，人类从未停止过追求极致的步伐。这个硅球不仅满足了物理理想，也向我们展示了科学本身的无限可能性。

这不仅是一个关于质量单位的故事，也是人类心灵的探索——对极致之美的不懈追求，从微观到宏观的伟大旅程。

参考资料：

[1https://www.nist.gov/si-redefinition/kilogram-silicon-spheres-and-international-avogadro-project

[2https://www.scientificamerican.com/article/sphere-made-to-redefine-kilogram-has-purest-silicon-ever-created/

这篇文章来自微信微信官方账号“把科学带回家”，作者：苏澄宇，36氪经授权发布。

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