Tại sao quả cân 1 kilogram chuẩn của thế giới phải ngừng sử dụng?

Khối kilogram tiêu chuẩn được làm từ một trong những hợp kim bền vững nhất mà loài người biết đến. Được bảo quản siêu kĩ lưỡng, không hề dịch chuyển khỏi vị trí đặt, không bị bất cứ nhiễu động nào tương tác trong suốt thời gian tồn tại, bảo vệ bởi 3 lớp chuông chân không, IPK vẫn bị sụt cân.

Ảnh: Kilogram nguyên mẫu quốc tế được bảo quản bên trong 3 bình chứa chân không (BIPM).

Gần như mọi vật mà loài người tạo ra ở thời hiện đại, từ bồn tắm cho tới các công thức nấu bánh đều có thể được định lượng nhờ vào một khối kim loại làm từ platinum và iridium tên gọi "nguyên mẫu Kilogram" (IPK-International Prototype Kilogram). Nó nặng đúng 1 kilogram, được cất giữ cẩn thận dưới một căn hầm ở Paris, dùng để làm chuẩn chính xác nhất cho một đơn vị kilogram,

Kể từ khi được tạo ra từ năm 1889, nó đã trở thành tiêu chuẩn của mọi vật thể có khối lượng trên toàn thế giới. Nhưng điều này không còn đúng nữa. Nguyên mẫu kilogram đã bị "sụt cân" sau nhiều năm và không còn chính xác tuyệt đối. Đã đến lúc các nhà vật lý định nghĩa lại nó theo một cách khác, trường tồn theo năm tháng và đúng nghĩa, chứ không phải tạo ra một phiên bản mới.

Ảnh: Nhân viên ở NIST đang cầm vật có khối lượng 1kg. Ảnh: NIST.

Các dị bản của IPK được sao chép lại trên toàn thế giới. Mỗi quốc gia đều có một phiên bản của riêng mình làm chuẩn cho các đơn vị đo trong nước. Ở những nước dùng pound và ounce thay vì kilogram như Mỹ, các hệ đo lường này cũng được căn chỉnh dựa theo IPK.

Tuy nhiên vào ngày 16/11 tới, Hội nghị Cân nặng và Đo lường (CGPM) tổ chức tại Versailles sẽ tiến hành bỏ phiếu để bãi bỏ kilogram cũ, tạo ra đại lượng kilogram mới.

 “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.

Ngoài các phòng thí nghiệm vật lý tiên tiến trên toàn thế giới, sự thay đổi này sẽ không tác động đến người bình thường. Một kilogram vẫn là một kilogram, nhưng giá trị của nó được định nghĩa dựa trên các nền tảng triết học khác.

Từ vật chất tới hằng số

Thách thức tìm cách định nghĩa những đơn vị đo lường dựa trên các hằng số tự nhiên có từ khi hệ mét ra đời trong cuộc cách mạng dân chủ Pháp. Vào thời đó, các ý niệm về “tự do”, “bình đẳng” được sử dùng bởi cả giới khoa học chứ không riêng những người làm cách mạng.

Hệ mét ra đời với ý tưởng bình đẳng hóa các đơn vị đo lường cho thường dân chứ không dùng các đơn vị mang đậm tính phân biệt giai cấp như thời cổ. Đây là một dự án tham vọng và mang tính lý tưởng hóa.

Người ta muốn tạo ra hệ thống các đơn vị đo khối lượng và kích thước cho toàn thế giới, cho phép giao dịch, trao đổi hàng hóa và thông tin diễn ra trơn tru ở mọi nơi.

Nhưng để đảm bảo các đơn vị mới đồng bộ ở mọi nơi, người ta cần một định nghĩa chung nhất trên toàn cầu. Khi ấy, có một đơn vị độ dài ở Pháp là “pie du Roi”, nghĩa là một bước chân của nhà vua. Đơn vị này vừa nói lên được nguồn gốc của nó, vừa thể hiện được tính giai cấp trong thời đại phong kiến.

Những người làm cách mạng muốn xóa bỏ hệ thống này trong xã hội, đồng nghĩa việc cần có một định nghĩa mà bất cứ ai cũng có thể tự đo, thay vì phải đo chân của nhà vua.

Do đó, định nghĩa sơ khai của kilogram là khối lượng của một decimet khối nước (một lít nước). Nhưng một decimet lại được tính trên mét - đơn vị được tính bằng khoảng cách giữa Bắc cực và đường xích đạo. 

Một bức họa vào năm 1800 miêu tả hệ thống đo lường mới ở Pháp. Ảnh: Creative Commons.
 

“Các định nghĩa này được đưa ra khi những người làm cách mạng muốn tạo ra một đơn vị cho mọi người, mọi thời đại", Tiến sĩ Martin Milton, Giám đốc cục đo lường quốc tế (BIPM) nói.

Trong thế kỉ tiếp theo, hệ mét bắt đầu được các quốc gia đón nhận và thêm vào nhiều đơn vị hơn. Lúc này, các nhà khoa học bắt đầu lo rằng Trái đất cũng không còn chuẩn.

Năm 1870, nhà khoa học người Scotland James Clerk Maxwell cảnh báo “Trái đất có thể co lại do lạnh hoặc phình to ra do thiên thạch va vào, như vậy sẽ làm biến đổi độ dài của hệ mét".

Lo lắng của Maxwell phản ánh tầm quan trọng của đo lường. Các đơn vị đo lường chính là nền tảng của những phương pháp khoa học. Không có chúng sẽ không có các thí nghiệm chính xác.

Do đó, thay vì dùng Trái đất làm nền tảng cho các định nghĩa đơn vị, giới khoa học quyết định sử dụng các hằng số vũ trụ. Các hằng số này là nền tảng cho vật lý hiện đại, được đặt bí danh như điệp viên: G là hằng số hấp dẫn, c là hằng số tốc độ ánh sáng, h là hằng số Plank - số tương tác nhỏ nhất mà một photon có thể thực hiện.

Đơn vị mét được hằng số hóa đầu tiên. Vào năm 1960, người ta dùng định nghĩa về bước sóng ánh sáng để gán cho mét. Năm 1983, tại hội nghị lần thứ 17 của BIPM, mét được định nghĩa là “độ dài của quỹ đạo chuyển động ánh sáng trong chân không trong 1/299,792,458 giây".

Với việc tái định nghĩa này, một mét vẫn là một mét, nhưng đã được gán cho một hệ khác so với nhận thức con người trước đó. Tức là được đưa lên một tầm triết học cao hơn.

Vài thập kỉ gần đây, 6/7 các đơn vị của hệ mét bao gồm mét, giây, am-pe, kelvin, số mol và candela đã được chuyển đổi theo cách thức tương tự.

Bây giờ cũng là kilogram phải thay đổi. Giới đo lường từ lâu đã muốn tái định nghĩa là đơn vị này.

“Chừng nào mà người ta còn dùng một tạo vật để định nghĩa kilogram, chúng ta không thể nói đơn vị này là cho mọi người, mọi thời đại được. Không thể cho mọi người là vì các phiên bản làm lại IPK không chính xác. Không thể cho mọi thời đại vì nó là một vật thể, và các vật thể thay đổi theo thời gian. Không có vật chất nào trường tồn cả”, Schlamminger nói.

IPK bị mất khối lượng một cách bí ẩn

Khối kilogram tiêu chuẩn được làm từ một trong những hợp kim bền vững nhất mà loài người biết đến. Được bảo quản siêu kĩ lưỡng, không hề dịch chuyển khỏi vị trí đặt, không bị bất cứ nhiễu động nào tương tác trong suốt thời gian tồn tại, bảo vệ bởi 3 lớp chuông chân không, IPK vẫn bị sụt cân.

Cứ mỗi vài thập kỉ, giới khoa học lại tổ chức họp mặt. Mọi nơi trên thế giới đem các dị bản IPK đến hội nghị khối lượng toàn cầu và đem ra so sánh với nguyên mẫu. Lúc này, người ta phát hiện IPK gốc đã mất 50 microgram, bằng khối lượng một chiếc lông mi. 

Nguyên nhân chính xác cho việc này vẫn còn bí ẩn. Có giả thuyết cho rằng các kĩ thuật cất giữ chưa chuẩn xác đã làm IPK bị ô nhiễm một loại vật chất nào đó.

Giám đốc của BIPM ủng hộ giả thuyết này và cho rằng nguyên nhân trên là đúng với giai đoạn 1940-1990, nhưng sau đó thì không. Bởi trong 30 năm trở lại đây, người ta đã bảo quản IPK cực tốt.

Về cơ bản, điều này đã làm hỏng tính bất biến của khoa học chính xác. Bằng việc tái định nghĩa lại kilogram vào thứ 6 tới, thời đại của các tạo tác hoàn mỹ do con người tạo ra đã chính thức chấm dứt.

“Chúng ta sẽ vượt qua được đống hỗn độn này. Chúng ta sẽ đo lường dựa trên các thế lực bất biến trong vũ trụ: có thể nói là con người đã vươn tới các vì sao”, Schlamminger nói.

Những phương pháp định nghĩa hiện đại

Định nghĩa lại kilogram bằng cách sử dụng các hằng số phổ quát là một nỗ lực rất lớn. Vô vàn kết quả không được ghi nhận, tiêu tốn nhiều thập kỷ nghiên cứu của các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới.

Người ta tạo ra một dụng cụ 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.

Đây là bước ngoặt cho phép các nhà khoa học tái định nghĩa lại kilogram: đo lường dựa trên nền tảng các tương tác vật lý nhỏ nhất có thể thực hiện được trong vũ trụ.

Cân Kibble được vận hành bởi Viện tiêu chuẩn và công nghệ Quốc gia Mỹ. Ảnh: NIST.
 

Dưới góc độ nền tảng vật lý lý thuyết, cân Kibble là một thành tựu đáng kinh ngạc. Nhưng dưới góc độ một dự án kỹ thuật, thời gian và khó khăn để chế tạo nó là vô cùng tốn kém.

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.

Cán cân được giữ trong chân không. Các nhà khoa học thậm chí còn phải đo trường trọng lực của căn phòng để trừ hao trong các phép tính. Hao Fang, người tiên phong của BIPM trong lĩnh vực này và Franck Bielsa, đồng nghiệp của cô so sánh việc vận hành cỗ máy với việc làm hàng tá các thí nghiệm cùng một lúc.

Không phải ai cũng cân được

“Bạn phải làm việc với các thiết bị quang học, giao thoa laser để đo bước sóng, điện từ kế để đo dòng điện và điện áp, phải xác định trường hấp dẫn của căn phòng và rất nhiều thứ khác nữa”. Điều này đòi hỏi sự kiên nhẫn cao và phối hợp nhịp nhàng của những người tham gia.

Tới tháng 5/2019, các phòng thí nghiệm mới đủ khả năng đo được một kilogram. Hội nghị tuần này sẽ thay đổi không chỉ định nghĩa khối lượng, mà cả các đơn vị được định nghĩa dựa trên kilogram như ounce hay pounds. Tổng cộng có 4 đơn vị sẽ được cập nhât định nghĩa mới gồm kilogram, ampere, kelvin và số mole.

“Tôi thực sự không tin nổi là điều này đang diễn ra”, ông Schlamminger cho biết.

Nhưng đây vẫn chưa phải là hồi kết của đo lường học. Đây là một thứ khoa học chưa hề đứng yên một chỗ. Khi Napoleon Bonaparte ra mắt nguyên mẫu mét vào năm 1799, ông tuyên bố “những cuộc viễn chinh rồi sẽ qua, nhưng thành tựu này thì trường tồn”.

Điều này chỉ đúng một phần. Đơn vị mét trường tồn, nhưng khối platinum Bonabarte cầm thì không còn.

Thực tế việc định nghĩa lại các đơn vị đo lường sử dụng hằng số tự nhiên cũng không hoàn toàn đúng với chân lý của ngành đo lường học: “Cho tất cả mọi người, cho tất cả mọi thời đại”.

Chỉ mới có 2 phòng thí nghiệm làm ra được cân Kibble. Hóa ra người ta đã đưa thước đo từ gót chân của một vị vua sang gót chân của các quốc gia nắm giữ công nghệ chế tạo cân hàng đầu thế giới.

Nguồn: Zingnews

​​​