Đơn vị kilôgam và 4 đại lượng vật lý khác chính thức được định nghĩa lại

Sau gần 130 năm tồn tại dựa trên một khối kim loại được gọi là Big K, đặt trong 3 lớp kính dày tại một căn hầm gần Paris, số phận của đơn vị kilogram chính thức thay đổi từ ngày 16/11.

Theo ABC, vào lúc 11:00 giờ Paris (17:00 giờ Việt Nam) ngày 16/11, đại diện từ 60 quốc gia đã bỏ phiếu thông qua đề xuất mới về cách thức xác định đơn vị kilogam bằng cách sử dụng hằng số vật lý thuần túy thay vì một khối kim loại như hiện tại – điều đã được duy trì suốt 130 năm qua.

Nó không phải là một sự thay đổi mà bạn sẽ nhận thấy khi đi mua sắm, nhưng nó là cần thiết nếu chúng ta muốn bắt kịp với công nghệ hiện nay và trong tương lai, nhà khoa học đo lường Bruce Warrington cho biết.

“Đã có một giấc mơ kéo dài vài trăm năm về việc làm sao kết nối các đơn vị đo lường với các tính chất cơ bản của thiên nhiên”

Trong xu thế hiện đại, chúng ta cần một hệ thống đo lường tốt và ổn định nhất có thể. Tiến sĩ Warrington nhấn mạnh thêm rằng “Chúng ta hiện có đồng hồ nguyên tử để tính thời gian và tia laser tốc độ ánh sáng để đo đồng hồ của chúng ta, nhưng kilogram vẫn là vật phẩm từ thế kỷ 19″

“Sự kiện này cũng như sao chổi Halley của lĩnh vực đo lường. Việc tái định nghĩa một đơn vị cơ bản như thế này không mấy khi xảy ra trong hàng trăm năm ” Stephan Schlamminger, nhà vật lí thuộc Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) cho biết.

Lịch sử của kilogram

Vào thế kỷ 18, người ta sử dụng một lượng nước nhất định để xác định một kilogram. Mãi đến năm 1889, nó được thay thế bằng một hình trụ hợp kim với 90% platinum và 10% iridium được gọi là kilôgam nguyên mẫu quốc tế (IKP) – hoặc Big K.

Ngày nay, bản gốc Big K được đặt sau 3 lớp kính dày trong Pavillon de Breteuil, Saint-Cloud, gần Paris. Có sáu bản được đặt tại đây và nhiều bản khác rải rác trên khắp thế giới.

Mặc dù được bảo quản nghiêm ngặt, theo thời gian, đã có sự thay đổi giữa Big K và các bản sao của nó. Big-K gốc hiện đã mất 50 microgram so với thời điểm ban đầu, bằng khối lượng một chiếc lông mi.

Tất nhiên, sự sai lệch chỉ ở mức độ microgram, không đủ để khiến chúng ta phải lo lắng cho các phép đo thông dụng trong cuộc sống hàng ngày nhưng đủ để ảnh hưởng lớn đến các đo lường ở cấp độ vi mô.

Vậy điều gì sẽ thay đổi?

Thay vì sử dụng Big K làm thước đo, các nhà khoa học đang đề xuất sử dụng một trong những định luật cơ bản của tự nhiên được gọi là hằng số Planck để xác định một kilogam.

Hằng số Planck là lượng năng lượng được giải phóng trong ánh sáng khi các nguyên tử nhảy quanh, nhà vật lí Tim Bedding của Đại học Sydney giải thích. “Ủy ban sẽ xác định giá trị của hằng số Planck là một con số cụ thể”, Tiến sĩ Bedding nói. Và đây là giá trị của nó:

Để thực hiện các phép đo, các nhà khoa học sẽ sử dụng một công cụ điện từ nhạy cảm được gọi là cân Kibble.

Cân này được phát minh vào năm 1975 bởi nhà vật lý người Anh Bryan Kibble, tối ưu hóa để đạt được những độ chính xác cao hơn.

Tuy cực kì phức tạp, cân Kibble cũng hoạt động trên nguyên lý cân truyền thống (cân đòn gánh), giống như những chiếc cân sử dụng tại cửa hàng tạp hóa. Trong khi các cân thường sử dụng các quả cân, Kibble lại so chuẩn với một lực điện từ có thể đo cực kỳ chính xác.

Lực điện từ này được tạo ra bởi một cuộn dây bao bọc bởi các nam châm vĩnh cửu. Cấu hình này có thể tạo ra 2 phương pháp đo khối lượng. Phương pháp thứ nhất là cho một dòng điện chạy qua cuộn dây để đo trường điện từ. Phương pháp thứ 2 là di chuyển cuộn dây lên xuống như piston xe máy rồi đo dòng điện.

Nhờ vào các khám phá khoa học gần đây, hiện các nhà khoa học có thể đo cả 2 đại lượng này (dòng điện và trường điện từ) một cách siêu chính xác. Nhờ vậy, người ta có thể đo chính xác khối lượng cần cân bằng hằng số Plank.

Hiện chỉ có 2 phòng thí nghiệm trên thế giới đủ khả năng chế tạo cân Kibble có độ chính xác cần thiết để định nghĩa 1 kilogram. Một ở Hội đồng Nghiên cứu quốc gia Canada, và cái còn lại ở NIST Hoa Kì.

Các sự thay đổi liên quan

Cũng tại Hội nghị chung về đo lường lần thứ 26 này- các đại biểu cũng sẽ bỏ phiếu để xác định lại ba đơn vị khác bao gồm: cường độ dòng điện, nhiệt độ Kelvin và Mol, cụ thể:

• Điện tích sơ cấp của một electron sẽ được sử dụng để định lượng ampere (A): đơn vị cơ bản của dòng điện.
• Nhiệt độ Kelvin sẽ được đo bằng dựa trên hằng số Boltzmann.
• Và Mol – một đơn vị đề cập đến số lượng nguyên tử hoặc phân tử, giờ đây sẽ được xác định bằng cách thiết lập một số cụ thể cho hằng số Avogadro thay vì dựa số lượng nguyên tử trong một lượng carbon nhất định, tính bằng kilôgam như trước đây.

Nếu việc bỏ phiếu bầu được thông qua, kilôgam, Kelvin, ampere và mol sẽ quy về cùng nhóm với ba đại lượng khác trong Hệ thống Đơn vị Quốc tế (SI) bao gồm: mét, giây và candela (đơn vị sáng cường độ) – các đại lượng đều được xác định theo các hằng số cơ bản.

Đó thực sự là một bước tiến lịch sử, lớn hơn bất kỳ sự thay đổi tương tự nào được thực hiện trong quá khứ. Cách định lượng mới sẽ có hiệu lực vào Ngày đo lường thế giới tiếp theo: ngày 20 tháng 5 năm 2019.

Nhật Minh