Định nghĩa "1 kilogram" vừa thay đổi, đây mới là cách tính chuẩn được các nhà khoa học đưa ra

Viện Quy chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ - NIST có một nhiệm vụ cực kì quan trọng: họ phải phân tách các thành phần vật chất của Vũ trụ này ra thành từng mảnh nhỏ, để cho loài người có được một hệ thống đo lường chuẩn xác nhất.

Như tin chúng tôi đã đưa năm ngoái, các nhà khoa học dự định sẽ thay đổi cách tính một kilogram vào năm 2018, bằng việc sử dụng hằng số Planck. Và mới đây, Viện NIST đã tìm ra được giá trị chính xác nhất của hằng số Planck này, nhằm giúp Ủy ban Dữ liệu Khoa học và Công nghệ có thể đưa ra định nghĩa chính xác cho “một kilogram” vào năm sau.

Cụ thể, giá trị hằng số Planck mà NIST đưa ra lần này là 6.626069934 x 10^−34 kg∙m2/s, thay thế cho giá trị cũ là 6.62607004 x 10^−34 kg.m2/s.

Để có được con số chính xác này, các nhà khoa học sử dụng cỗ máy có tên “cân bằng Kibble - Kibble balance”, tính ra được giá trị mới của hằng số Planck với độ lệch chỉ 13/1.000.000.000, vượt mặt con số lần trước với độ lệch 34/1.000.000.000.

Vậy hằng số Planck là cái gì mà tại sao ta phải nghe theo nó?

Hằng số này được lấy tên từ nhà vật lý học Max Planck, người đã gieo mầm cho thuyết lượng tử khoảng một thế kỷ trước. Người ta thường biết tới vật lý lượng tử với ví dụ mèo sống – mèo chết của Schrödinger (nói về trạng thái lượng tử) hay những hạt có hiện tượng kì quái ở khoảng cách xa (nói về rối lượng tử) nhưng tâm điểm của nó, lại là việc tính toán mức năng lượng của hạt và vật thể.

Nhà vật lý học người Đức Max Planck.

Việc chuyển giao năng lượng không hoạt động như một dòng nước chảy, nó chảy như cát vậy, luôn đi theo một định lượng nhất định. Nhà nghiên cứu Planck tìm ra điều này bằng việc đo đạc lượng bức xạ nhiệt phát ra khi những nguyên tử trong vật chất rung lên, ông xác định tần số của các sóng tạo ra bởi hiện tượng này sẽ là số lần của một hằng số ông gọi là h. Ta có h, 2h hoặc 3h nhưng không bao giờ có nửa h – h chính là định lượng năng lượng nhất định ta đã nói ở trên.

Và giờ, ta đặt tên cho đơn vị h ấy là hằng số Planck, và ta có thể nhân nó với tần số của một sóng để tìm ra năng lượng trong sóng ấy. Và bởi Einstein cho ta thấy rằng năng lượng và khối luôn đi kèm với nhau, ta có thể lấy hằng số Planck để mô tả khối lượng của một vật thể.

Tính tới thời điểm này, còn mỗi kilogram là được xác định bằng một vật thể cụ thể. Đó là 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. Theo thời gian, nguyên tử có thể rơi ra mà cũng có thể thêm vào, cho nên khối kilogram này không còn được chuẩn xác như ngày trước.

Đó là lý do tại sao ta không thể sử dụng IPK làm số đo chuẩn cho một kilogram nữa. Một lý do khác là vì nó cũng đã quá lỗi thời rồi, khi so sánh với các đại lượng vật lý khác - những đại lượng ấy đều đã có những hằng số toán học để định nghĩa mình, ví dụ như:

Ampere sẽ được định nghĩa bằng điện tích cơ bản, tức là điện tích của electron và photon.

Kelvin sẽ được định nghĩa bằng hằng số Boltzmann.

Mole sẽ được định nghĩa bằng hằng số Avagadro.

Bản sao của IPK - Le Grand K.

Có một cách để đưa khái niệm “một kilogram” thành quy chuẩn, đó là lấy số nguyên tử cụ thể của một nguyên tố nào đó. Đó là lý do tại sao hồi năm 2011, Ủy ban Cân nặng và Đo lường Quốc tế đồng ý rằng chẳng có số nào phù hợp hơn hằng số Planch, và họ đưa ra quyết định rằng một phương pháp toán học để đo đạc hằng số này một cách chính xác sẽ trở thành “một kilogram” mới.

Thiết bị cân bằng Kibble nói trên được sử dụng bởi NIST là một quả nặng đặt trên một giá đỡ gắn lõi dây điện, toàn bộ được đặt trong một từ trường. Khi đưa điện vào lõi dây này, một dòng điện sẽ tạo ra một từ trường khác đẩy vào khối lượng của quả nặng kia. Việc đo đạc dòng điện và đo đạc chuyển động của giá đỡ khi có và không có quả nặng sẽ thông qua những phép toán đặc biệt và qua đó, ta có được hằng số Planck.

Thiết bị cân bằng Kibble.

“Cần phải có ít nhất ba thử nghiệm với một có độ lệch dưới 50 phần một tỷ và một có độ lệch dưới 20 phần 1 tỷ để xác định được số chính xác. Nhưng hiện chúng tôi đã có tới ba kết quả có độ lệch dưới 20 phần một tỷ”, người đứng đầu nghiên cứu này, Stephan Schlamminger nói.

Với những con số mới hơn và chính xác hơn này, đội ngũ tại NIST hi vọng rằng nó sẽ được cộng đồng xét duyệt và công nhận vào tháng Mười Một năm sau. Đó sẽ là thời điểm “cả đời mới có một lần”, thời điểm đại lượng đo lường được quy đổi thành một con số chính xác hơn.