Các đại lượng đo lường cơ bản sẽ thay đổi vào năm 2018: 1 kilogram sẽ không còn giống như bạn từng biết

Đến cuối năm 2018, “một kilogram” sẽ không còn có ý nghĩa như chúng ta vẫn đang sử dụng nữa và không chỉ vậy, các đơn vị đo lường chuẩn khác cũng sẽ có một bản cập nhật mới, lần đầu tiên trong gần 60 năm trở lại đây.

Với đề nghị mới này, bảy đơn vị đo cơ bản (có bao gồm cả giây, kilogram và mét) sẽ được định nghĩa lại cho phù hợp với các quy chuẩn tự nhiên như tốc độ ánh sáng, chứ không phải một "giá trị bừa" nào đó mà các nhà khoa học nghĩ ra. Việc này sẽ khiến thế giới của chúng ta chính xác hơn nhiều.

Có lẽ chúng ta không thực sự hiểu các nhà khoa học làm điều này để làm gì? Có lẽ ta phải nên xét tới việc một kilogram không đơn thuần chỉ bằng 1.000 gram hay 2,2 pound. Sự thực phức tạp hơn thế nhiều.

Hiện tại, khối lượng của “một kilogram” được định nghĩa bởi một vật thể quy chuẩn duy nhất: một khối rắn gồm 90% platinum và 10% iridi, nằm trong một két an toàn tại Pháp. Nó được đặt tên là Nguyên mẫu Kilogram Quốc tế - International Prototype Kilogram (IPK) hay “Le Grand K” theo tiếng Pháp.

Một bản sao của IPK.

Trên thế giới có rất nhiều bản sao của IPK nhưng nếu muốn có độ chính xác tuyệt đối, nó phải nặng bằng khối kim loại đặt ở Pháp kia.

Thậm chí hiện tại khối lượng của IPK cũng không còn là hằng số. Cho dù nó được canh gác chặt chẽ tới đâu thì nó cũng vẫn sẽ mất đi hay có thêm nguyên tử theo thời gian như bất kì vật thể nào khác. Hiện IPK đã nặng hơn trước đây do nhiễm bẩn bề mặt.

Tất nhiên là các nhà nghiên cứu không hài lòng với sự việc này, bởi lẽ rất nhiều giả định khoa học dựa vào việc khối lượng IPK phải đúng chuẩn, và trong 7 đơn vị đo quốc tế theo hệ mét (metric system) thì kilogram là đại lượng duy nhất vẫn được định nghĩa bằng một vật thể.

Các nhà khoa học đang nhắm tới việc thay đổi điều đó, với việc Ủy ban Đo lường Quốc tế đề xuất sửa lại định nghĩa của bảy đơn vị đo cơ bản và theo lịch trình, đề xuất này sẽ được chính thức đưa ra tại Hội nghị Đo lường lần thứ 26, được tổ chức vào cuối năm 2018.

Hội nghị Đo lường lần thứ 25 diễn ra năm 2014.

Lần cuối cùng các đơn vị đo lường cơ bản được cập nhật là năm 1960, có lẽ đây là “bản cập nhật” ổn định nhất trong lịch sử, với thời gian sử dụng được lên tới gần 60 năm.

Bảy đại lượng cơ bản đó là Giây, Mét, Kilogram, Ampere, Kelvin, Mole và Candela (đơn vị đo cường độ ánh sáng).

Trong bảy đại lượng trên, trừ Kilogram, đều được định nghĩa bằng các hiện tượng thiên nhiên (Mét là đại lượng cuối cùng được định nghĩa bằng một thanh vật chất “dài một mét”, điều này được thay đổi vào năm 1960). Cuối năm 2018, bốn đại lượng Kilogram, Ampere, Kelvin và Mole sẽ được thay đổi lần lượt theo hằng số Planck, điện tích cơ bản, hằng số Boltzmann và hằng số Avagadro.

Điều đáng chú ý nhất, là kilogram sẽ không còn được xác định với khối kim loại quy chuẩn IPK nữa.

Quy chuẩn này chưa được thay đổi nhiều năm rồi bởi lẽ trước đây để xác định được Kilogram, các nhà nghiên cứu phải đồng tình với giá trị của hằng số Planck liên quan tới năng lượng hạt với tần số của hạt.

Hằng số này cực kì khó tính toán, các nhà khoa học vẫn cố gắng tìm ra một giá trị không đổi từ những năm 1970 cho tới nay.

Vào năm 2014, cuối cùng thì các nhà nghiên cứu cũng đã đồng tình với một giá trị cho hằng số Planck (vẫn còn cần tiếp tục xem xét cho tới tháng 7 năm sau, năm 2017). Nhưng gần như chắc chắn rằng, vào năm 2018 tới thì Kilogram sẽ không lấy IPK làm chuẩn nữa và nếu như khối kim loại ấy không vào viện bảo tàng, nó sẽ thành đồ đồng nát (thực ra là platinum nát) vì không còn giá trị sử dụng.

Tiếp tục nói đến các đại lượng khác được thay đổi, đó là Ampere, Kelvin và Mole.

Hiện tai, định nghĩa Ampere (đơn vị đo dòng điện) được xác định bởi một phương pháp khá là không thực tế. “Một Ampere” là một dòng diện khi chạy qua hai đường dây mảnh và dài vô tận được đặt cách nhau chính xác một mét, sẽ tạo ra một lượng lực nhất định.

Hiển nhiên một đoạn dây mảnh và dài vô tận không thể tồn tại, vì thế chẳng ai có thể thử nghiệm thực tế để có thể có được một kết quả chính xác cả.

Sắp tới, Ampere sẽ được định nghĩa bằng điện tích của electron và proton, những giá trị mà các nhà khoa học có thể đo đạc được.

Hai đại lượng còn lại là Kelvin và Mole cũng sẽ được định nghĩa lại với hai giá trị hằng số Boltzmann và hằng số Avagadro. Hiện tại khái niệm đại lượng Kelvin là 1/273,16 của nhiệt độ nhiệt động lực học của điểm ba (điểm ba thể hay điểm ba pha) của nước, là điểm khuất mà nước tồn tại dưới 3 trạng thái rắn, lỏng và khí.

Ở hình dưới, bên trái là các hệ thống đo lường cũ còn bên phải là các hệ thống đo lường mới.

Trong ảnh, C là tốc độ ánh sáng (định nghĩa một Mét), delta Vcs là một tick của đồng hồ nguyên tử xezi (định nghĩa một Giây), h là hằng số Planck (định nghĩa một Kilogram), NA là hằng số Avogadro (định nghĩa một Mole), KCD là hiệu lực ánh sáng (định nghĩa một Cadela), kb là hằng số Boltzmann (định nghĩa một Kelvin) và e là điện tích cơ bản (định nghĩa một Ampere).

Với “người thường” chúng ta thì sự thay đổi đại lượng cơ bản này không có nhiều ảnh hưởng lắm. Đây là những sự thay đổi tí hon mang tầm lượng tử vì thế cho nên, sau một đêm cuối năm 2018 ngon giấc, bạn sẽ không đột nhiên tăng cả đống kilogram đâu.

Nhưng với các nhà khoa học, việc này có tầm quan trọng cực kì lớn và thậm chí, nó còn được gọi là “sự kiện cả đời mới chỉ có một lần”.

“Nếu ở nền móng có một vết nứt nhỏ thì ta sẽ không thể xây được tòa nhà Vật lý trên nó”, ông Stephan Schlamminger tại Viện Công nghệ Quy chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ nói.

Giờ đây khi chúng ta đã có những phương pháp khoa học tiên tiến hơn, ta sẽ có thể có được những đại lượng chính xác hơn cho những nghiên cứu sau này. Và sau lần thay đổi mới này, sẽ còn rất lâu nữa trước khi ta lại đổi các đại lượng cơ bản một lần nữa.