Kilogram được định nghĩa lại như thế nào?

Tại một hội nghị tổ chức tại Hội Hoàng gia ở London trong tuần này, các nhà nghiên cứu đã thảo luận các phương án thay thế một khoanh kim loại đã già nua đang đảm đương vai trò chuẩn kilogram của thế giới bằng một kilogram xây dựng trên một hằng số cơ bản.

Hiện nay, chúng ta đo kilogram như thế nào?

Kilogram là đơn vị cuối cùng sử dụng một tạo vật làm chuẩn của nó. Được gọi là nguyên mẫu kilogram quốc tế, chuẩn này là một khối trụ hợp kim platinum-iridium được cất giữ an toàn tại trụ sở của Cục Cân nặng và Đo lường Quốc tế (BIMP) ở Sèvres, gần Paris, kể từ năm 1889.

Tại sao không tiếp tục sử dụng nguyên mẫu đó?

Khối lượng của nó đang thay đổi, và các nhà khoa học không biết nguyên do. Khối lượng của nó biến thiên đến 50 micro gram so với các “bản sao cấp quốc gia” cấp về cho các phòng thí nghiệm đo lường trên khắp thế giới.

Sự thay đổi khối lượng có thể là do sự thất thoát dần hydrogen bị giữ trong hợp kim khi tôi luyện khối trụ trên, hoặc có lẽ do việc sử dụng giấy bột mài và các chất lỏng lau chùi kém chất lượng để lau chùi nó trước đây, theo lời Terry Quinn, cựu lãnh đạo của BIMP.

“Có phải nguyên mẫu kilogram bị mất khối lượng không? Hay là các bản sao cấp quốc gia trở nên nặng hơn? Câu trả lời là chúng ta không biết rõ – chẳng có cái gì ổn định hơn để mà so sánh cả. Cho nên chúng ta cần một cái gì đó tốt hơn”, phát biểu của nhà vật lí BIMP Michael Stock.

Định nghĩa hiện nay của kilogram (Ảnh: BIPM)

Các nhà đo lường học muốn thay thế bằng phương pháp nào?

Hồi tháng 10, Hội nghị Toàn thể về Cân nặng và Đo lường ở Paris được kì vọng sẽ bắt đầu quá trình thay đổi định nghĩa của kilogram bằng một định nghĩa dựa trên các hằng số cơ bản như hằng số Avogadro, số lượng nguyên tử trong một mol, và hằng số Planck, hằng số liên hệ năng lượng của một photon hay một hạt với năng lượng của nó. Nếu mọi người có thể thống nhất các công nghệ để thực hiện công việc này, thì quá trình định nghĩa lại sẽ hoàn tất vào năm 2015.

Các đơn vị khác đã được định nghĩa lại theo những cách tương tự. Mét đã từng được định nghĩa là chiều dài của lát chu vi của Trái đất, nhưng nay nó được định nghĩa là quãng đường mà ánh sáng đi được trong một khoảng thời gian nhất định. Và giây, từng được định nghĩa là một phần nhỏ của một ngày, nay được định nghĩa là độ dài của một số chuyển tiếp chính xác trong nguyên tử caesium.

Kilogram sẽ được định nghĩa lại như thế nào trong tương lai?

Hiện tại có hai phương án đang kình địch với nhau. Một phương án định nghĩa kilogram là khối lượng của một con số nhất định của các nguyên tử silicon-28. Phương án thứ hai sử dụng một dụng cụ đo khối lượng gọi là “cân Watt” để định nghĩa kilogram theo điện áp và dòng điện.

Làm thế nào người ta có thể đếm số lượng nguyên tử silicon?

Toàn bộ vấn đề được trình bày trong số ra tuần này của tạp chí Physical Review Letters. Một đội nghiên cứu đứng đầu là nhà đo lường học Peter Becker thuộc Học viện Các vấn đề Vật lí và Kĩ thuật tại Braunschweig, Đức, tiết lộ một sự đột phá trong một nỗ lực nhằm đo số nguyên tử trong một quả cầu silicon, từ đó cho phép họ tính ra hằng số Avogrado đến một độ chính xác chưa có tiền lệ.

Trước tiên, họ sử dụng laser để quét qua một quả cầu silicon tinh khiết, từ đó đo thể tích của nó. Sau đó, họ sử dụng sự nhiễu xạ tia X để ước tính thể tích mà mỗi nguyên tử chiếm giữ. Điều đó sẽ đưa đến một số đếm chính xác của số lượng nguyên tử có trong quả cầu, nhưng không được vì tinh thể gốc silicon-28 có chưa một số lượng không nhỏ đồng vị silicon-29 và silicon-30.

Sử dụng một kĩ thuật gọi là phổ khối pha loãng đồng vị, Becker và các đồng nghiệp đã vừa tạo ra một quả cầu trong đó các đồng vị không mong muốn Si-29 và Si-30 hầu như hoàn toàn không có mặt. Kết quả là họ đã tính ra hằng số Avogrado với độ sai số 3,0 x 10^-8.

Becker phát biểu với tạp chí New Scientist trong tuần này rằng nếu họ có thể trau chuốt kĩ thuật của họ thêm chút ít, và giảm sai số đo xuống còn 2,0 x 10^-8, thì họ dám đặt cược cho một phương pháp đủ tốt để định nghĩa kilogram là khối lượng của một số nguyên tử silicon-28.

Còn phương pháp cân Watt thì sao?

Cân Watt về cơ bản là một cái cân với kilogram nguyên mẫu ở một bên và một trường điện từ hút lên phía bên kia. Các dụng cụ điện tử cực nhạy, như tiếp xúc Josephson, có thể dùng để thăng bằng và tính ra chính xác dòng điện và điện áp cần thiết để cân bằng kilogram. Phương pháp trên sẽ định nghĩa kilogram theo hằng số Planck.

Các viện đo lường trên khắp thế giới đang cố gắng hoàn thiện phương pháp cân Watt, nhưng mỗi thí nghiệm có mức độ sai số riêng cần phải khắc phục. Ủy ban Nghiên cứu Quốc gia Canada, chẳng hạn, vừa mới phát hiện ra một sai số hệ thống ở một cái cân do nước Anh cung cấp cần phải khắc phục.

Điều đó có nghĩa là vẫn còn rất nhiều tranh cãi trước khi nguyên mẫu kilogram bị thay thế?

Vâng. Terry Quinn, cựu lãnh đạo của Ủy ban Cân nặng và Đo lượng Quốc tế, trông đợi “nhiệt độ có tăng thêm chút ít” khi các trường viện tiếp tục tranh đua nhau đưa ra những ý kiến của mình.

Nguồn: New Scientist