[Giải ngố] Bằng cách nào, các nhà khoa học định nghĩa lại khái niệm "một kilogram"?

Sâu 12 mét dưới nền đất của Gaithersburg, Maryland, có một phòng thí nghiệm rực sáng ánh đèn, muốn ra vào cần 3 cái chìa khóa khác nhau để mở cửa. Đó là nơi các nhà khoa học Mỹ lưu trữ một bộ sưu tập những khối trụ kim loại nhỏ, mỗi khối nặng 1 kg. Chính chúng là định nghĩa cho bất kì hành động đo đạc khối lượng nào diễn ra trên đất Hoa Kỳ.

Không ai được phép chạm vào chúng. Những phân tử bụi trên da người có thể làm chúng tăng cân, thò tay vào mà quệt đi vài nguyên tử kim loại sẽ kiến nó thụt cân. Patrick Abbott, "người canh giữ kilogram" tại Viện Quy chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) – với trách nhiệm đúng như cái tên công việc nêu lên, nói rằng việc thay đổi cân nặng của khối kim loại sẽ dẫn tới những hậu quả tai hại.

Trước thời điểm ngày 16/11, định nghĩa kilogram rất đơn giản: 1 kilogram bằng chính xác khối lượng của một cục kim loại làm từ 90% platinum và 10% iridi, đặt trong hầm chứa của Cục Cân nặng và Đo lường Quốc tế tại Sèvres, Pháp từ năm 1889. Nó có tên Nguyên mẫu Kilogram Quốc tế - International Prototype Kilogram (IPK, hay còn gọi là Le Grand K theo tiếng Pháp).

Nhiều cơ sở khoa học trên thế giới sở hữu bản sao chính xác của IPK, bao gồm cả 7 khối kim loại tại NIST. Đây là một mẫu vật như thế, có tên K4, được đúc từ chính khối kim loại lớn, đúc ra IPK hồi thế kỷ 19.

Sau thời điểm ngày 16/11, khi buổi bỏ phiếu thay đổi cơ chế tính kilogram được thông qua, tất cả những cục kim loại trên – IPK từ bản sao cho tới bản gốc – sẽ không còn giá trị. Một hằng số không đổi sẽ định nghĩa kilogram. Thay đổi sẽ chính thức được áp dụng vào ngày 20 tháng Năm năm 2019.

Theo nhiều báo cáo, IPK dã tụt mất 50 microgram kể từ khi nó được tạo ra. Khi con số của IPK thay đổi, sẽ nhiều đại lượng khác thay đổi theo. Và tệ hơn, khi ai đó quyết định ăn cắp IPK về để làm cục chặn giấy, toàn bộ cơ chế đo lường trên thế giới sẽ trở nên hỗn loạn (đến một mức nào đó).

Ta phải tái định nghĩa kilogram để tránh mọi phiền hà. Các nhà khoa học đã chọn hằng số Planck, một khái niệm vật lý cơ bản không bao giwof thay đổi để làm kilogram. Ta đo 1 kg tại Trái Đất, hay tại rìa Vũ trụ thì kilogram vẫn không đổi, vẫn bằng hằng số Planck, vẫn bằng 6,62607015 × 10^-34 m²kg/s.

"Vật thể luôn thay đổi", Stephan Schlamminger, một nhà khoa học tại NIST trực tiếp tham gia vào quá trình tái định nghĩa kilogram nói. Cũng theo lời anh, với kilogram mới, "ta đi từ một vật thể tầm thường" trên Trái Đất tới "những thứ tới từ vườn địa đàng". Các định nghĩa đơn vị đo lường cơ bản đều đã được xác định dưới dạng các hằng số không bao giờ thay đổi, đúng với khẩu hiệu xưa kia, khi chúng lần đầu tiên được nêu lên tại Pháp: "cho mọi thời điểm, cho tất cả mọi người".

Một lịch sử ngắn của "kilogram"

Khi ta đặt một thứ gì đó lên bàn cân, một con số sẽ nhảy lên, báo cho ta biết thứ đó nặng bao nhueye. Thế dựa vào đâu mà ta định nghĩa được một cân? Từ khi làm cân, người ta đã lấy một quả nặng ra làm chuẩn. Vậy quả nặng đó dựa vào đâu để làm chuẩn? Lần ngược dấu, ta tìm về những quả cân đặt trong phòng kín, những IPK nằm tại nhiều nơi trên thế giới.

Trước khi thiết lập được trật tự, trước khi hệ đo lường mét được phát minh, hệ thống đo lường hỗn loạn muôn phần. "Bạn cứ tưởng tượng ra một thế giới mà đi tới đâu, bạn cũng phải quy đổi đại lượng cho đúng với nước sở tại, giống như việc đơn vị tiền tệ giữa các nước khác nhau vậy", Madhvi Ramani từ kênh tin tức BBC giải thích. "Đó chính là hiện trạng trước thế kỷ 18, nơi việc đo lường của từng nước khác nhau, mà ngay nội trong một nước cũng khác nhau".

Các nhà khoa học muốn tạo ra một hệ thống đo lường mới, nhất quán, dựa vào chính bản chất của tự nhiên. Một hệ thống đo lường "cho mọi thời điểm, cho tất cả mọi người".

Và vào thời điểm Cục Cân nặng và Đo lường thế giới được thành lập, các nhà khoa học đã luận ra những quy chuẩn mới cho các đơn vị đo. Để cho bất kì ai cũng có thể hiểu các yếu tố khoa học (vốn khô khan, nhàm chán) một cách dễ dàng, họ sử dụng những vật thể thực tế làm quy chuẩn đo lường.

Ví dụ, một cái thước dài một mét định nghĩa một mét, được tính bằng 1/10.000.000 khoảng cách từ Cực Bắc cho tới xích đạo. Một khối kim loại nặng 1 kilogram để định nghĩa một kilogram.

Sau này, các đại lượng đo lường dần được thay thế bằng các hằng số có trong tự nhiên. Tại sao ư? Bởi vì đến khoảng cách giữa hai điểm trên Trái Đất của chúng ta còn bị thay đổi, làm sao ta có thể tìm ra được một phép toán đúng khi các chỉ số trong phép toán bị sai lệch theo thời gian? Dần dần, cách định nghĩa các đại lượng thay đổi, trước thời điểm 16/11, còn mỗi kilogram được tính bằng một cục kim loại.

Và đây, là thứ khoa học phức tạp của hằng số Planck, định nghĩa kilogram mới

Đây là định nghĩa mới:

Kilogram, kí hiệu là kg, là đơn vị thuộc hệ thống đơn vị đo quốc tế để tính khối lượng. Nó được định nghĩa bằng giá trị không đổi của hằng số Planck, kí hiệu là h, bằng 6,626 07015 × 10^-34 khi được biểu tihj bằng đơn vị J.s, tương đương với đơn vị kg.m².s^-1, với mét và giây được biểu thị bằng c (tốc độ ánh sáng) và delta vCs (một tick của đồng hồ nguyên tử xezi, định nghĩa một giây).

Về cơ bản, ta có hằng số Planck là con số cố định chỉ "một kilogram", ý nghĩa của nó: mô tả cách thức một phần rất rất nhỏ vật chất tỏa ra năng lượng theo từng khối, gọi là quanta. Tại sao đến giờ ta mới có được số chính xác? Bởi hằng số Planck cực nhỏ, mà các nhà khoa học phải tính toán chính xác tới từng con số thập phân một, không được phép xảy ra sai sót.

Bằng cỗ máy cân bằng Kibble và quan sát một khối silicon có hình cầu gần hoàn hảo, ta luận ra được số Planck chính xác nhất có thể. Kilogram đã trở thành một định nghĩa mang tầm vóc vũ trụ, không bao giờ thay đổi.

Máy cân bằng Kibble, kì quan của khoa học, thứ cho ta sự chính xác của hằng số Planck

Để có được con số chính xác của hằng số Planck để mà định nghĩa kilogram, các nhà khoa học phải vượt qua vô vàn trở ngại. Suốt nhiều thập kỉ, các nhà khoa học tại NIST và nhiều nơi khác sử dụng máy cân bằng Kibble để đo đạc chính xác hằng số Planck. Có thể coi cách hoạt động của máy cân bằng Kibble giống một cái cán cân có hai đĩa, chỉ khác nhau ở yếu tố lượng tử.

Máy Kibble cân bằng lượng năng lượng cơ học phát ra từ khối của một vật thể với một lượng năng lượng điện. Phương trình chỉ ra cách hoạt động của máy cân bằng Kibble phức tạp lắm, và bạn có thể nhìn ở hình dưới để thấy nó phức tạp đến mức nào.

Giữa những phương trình phức tạp và các biến số như khối lượng, tốc độ, lực hấp dẫn, từ trường và điện năng, ta tính ra được hằng số Planck. Bằng cái máy Kibble, các nhà khoa học giải được ra hằng số Planck. Nhờ những hằng số ta đã tìm ra được trong quá trình nghiên cứu khoa học, ta đã có được kết quả chính xác.

Định nghĩa đại lượng cơ bản không phải bất kì cá nhân phàm trần nào nghĩ ra nữa, mà là một hằng số của Vũ trụ, đúng tại mọi thời điểm, ở mọi vị trí. Đúng với câu châm ngôn xuất hiện cùng với các đơn vị đo lường hệ mét năm nào: "Cho mọi thời điểm, cho tất cả mọi người".

Theo DINK