Các tạo vật và sai số
Nhiều đơn vị đo lường từng được định nghĩa theo các tạo vật. Ví dụ, cho đến năm 1960 định nghĩa quốc tế của mét được xây dựng trên một thanh nguyên mẫu platinum-iridium chế tạo vào năm 1889. Đơn vị volt từng được định nghĩa theo suất điện động của một loại pin ướt nhất định. Bản thân gram ban đầu là khối lượng của một centi-mét khối nước ở 4oC. Nhưng đo lường học hiện đại đã tiến xa khỏi hướng sử dụng các vật thể vật chất làm tiêu chuẩn. Kilogram là đơn vị duy nhất còn lại được định nghĩa theo hướng đó.
Có sự đồng thuận rộng rãi rằng tình trạng hiện nay cần phải thay đổi. Ngoài những khó khăn thực tế liên quan trong việc chế tạo từng nguyên mẫu kilogram và các chuẩn từ vô số viện đo lường quốc gia theo Nguyên mẫu Quốc tế của Kilogram (thật ra, theo một trong những bản sao của nó), còn có những vướng mắc cố hữu với mức ổn định khối lượng của các tạo vật kg.
Mặc dù IPK được làm bằng một hợp kim chống oxy hóa gồm 90% platinum và 10% iridium – giống với sáu bản sao chính thức cua nó, tám dùng làm chuẩn vận hành, và hai bản sao bổ sung cho những công dụng riêng – sự nhiễm bẩn do chuyên chở qua đường hàng không có thể bám dính vào bề mặt kim loại. Đó là lí do người ta có hẳn một bộ quy tắc khắt khe làm sạch và tẩy hơi toàn bộ các tạo vật kg trước khi được thẩm tra lại.
Cho đến năm 1960, chuẩn SI của độ dài được gán cho thanh mét platinum-iridium giống như các thanh mét này tại Bảo tàng NIST.
Tuy nhiên, khối lượng của những vật này là cái thay đổi theo thời gian. Trên lí thuyết, tất nhiên, khối lượng IPK thật sự không thể thay đổi: Bởi vì nó định nghĩa kilogram, nên khối lượng của nó luôn luôn đúng bằng 1 kg. Vì thế, sự thay đổi được thể hiện dưới dạng sai lệch khi so sánh IPK với các mẩu tham chiếu vào những dịp hiếm hoi trong đó IPK được mang ra khỏi bình lưu giữ và so sánh với các bản sao “chị em” chính thức của nó cũng như các nguyên mẫu quốc gia của nhiều nước khác nhau. Những xác nhận thường kì này diễn ra vào các năm 1899-1911, 1939-1953, và 1988-1992. Ngoài ra, một đợt thẩm tra riêng, chỉ dùng các chuẩn khối lượng riêng của BIPM, đã được tiến hành trong năm 2014.
Xu hướng xảy ra trong thế kỉ qua với đa số bản sao chính thức của BIPM lấy khối lượng so với IPK, mặc dù lượng mức có phần khác nhau, là sai lệch trung bình khoảng 50 microgram (phần triệu của một gram, lí hiệu là µg) trong 100 năm. Tất nhiên, cũng có khả năng IPK mất khối lượng so với các bản sao của nó.
Có tiếp tục thay đổi?
Hồi giữa năm 2013, trong hoạt động định nghĩa lại kg, Ủy ban Quốc tế về Cân nặng và Đo lường (CIPM, cơ quan chủ xướng thỏa thuận quốc tế về đo lường) đã phê chuẩn một chiến dịch “Thẩm tra Đặc biệt” gồm hai giai đoạn.
Mục tiêu chính của chiến dịch là cung cấp cho các viện đo lường quốc gia tham gia đo hằng số Planck khả năng truy xuất cập nhật với IPK.
Giai đoạn đầu của dự án, đã hoàn thành vào đầu năm 2014 bởi BIPM, so sánh tám chuẩn vận hành BIPM và hai nguyên mẫu sử dụng đặc biệt với IPK và sáu bản sao chính thức của nó, không có cái nào trong số này được sử dụng kể từ năm 1992. Các phép đo được thực hiện cả trước và sau làm sạch và tẩy hơi. Các kết quả, khi công bố, sẽ cho biết sự thay đổi – nếu có – trong một phần tư thế kỉ qua.
Đồ thị biểu diễn sự biến thiên theo thời gian ở các tạo vật nguyên mẫu khối lượng BIPM (được đánh số) so với khối lượng của IPK.
Mức ổn định của kilogram là chuyện hệ trọng bởi vì giá trị của nó được dùng để xác định nhiều đơn vị khác nữa. Đặc biệt, nó ảnh hưởng trực tiếp đến newton (đơn vị SI của lực), được định nghĩa là lực cần thiết để làm gia tốc một khối lượng 1 kg 1 mét trên giây mỗi giây. Đến lượt newton được dùng để định nghĩa pascal (đơn vị của áp suất) và joule (đơn vị của năng lượng hoặc công). Joule lại là một bộ phận để định nghĩa watt và volt, và vân vân.
Cộng đồng đo lường quốc tế lâu nay đã nhận ra các hạn chế của kilogram tạo vật và vào ngày 21 tháng 10, 2011, Hội nghị Toàn thể về Cân nặng và Đo lường, tổ chức ngoại giao theo Hiệp định Mét có thẩm quyền ban hành một thay đổi triệt để như vậy, đã thông qua một giải pháp tuyên bố rằng kilogram và ba đơn vị khác “sẽ được định nghĩa lại theo các bất biến của tự nhiên”. Đối với kilogram, bất biến đó là hằng số Planck (h) – một đại lượng quen thuộc với lĩnh vực cơ học lượng tử hơn là thế giới hàng ngày của cân nặng và đo lường.
Nguồn: NIST
