Trong khi nước Mĩ vẫn ngoan cố sử dụng các đơn vị Anh như dặm, pound và độ Fahrenheit, thì phần đông thế giới thống nhất rằng việc sử dụng các đơn vị thập phân là một ý tưởng tốt hơn. Hệ mét, còn gọi là Hệ Đơn vị Quốc tế (SI), là hệ thống chính xác nhất và toàn diện nhất để đo lường vũ trụ mà con người từng phát triển.
Sang năm 2018, Hội nghị Toàn thể về Cân nặng và Đo lường lần thứ 26 sẽ nhóm họp và có khả năng thông qua các định nghĩa sửa lại cho bảy đơn vị cơ bản của hệ mét để đo: độ dài, khối lượng, thời gian, nhiệt độ, cường độ dòng điện, cường độ sáng và lượng chất.
Hệ mét hiện đại có độ chính xác của nó là nhờ vật lí hạt, lĩnh vực có các công cụ nghiên cứu vũ trụ chính xác hơn bất kì chiếc kính hiển vi nào. Ta có thể sử dụng các phép đo do các nhà vật lí hạt tiến hành để trau chuốt định nghĩa của các đơn vị hệ mét. Hồi tháng Năm, một đội nhà vật lí Đức tại Viện Bách khoa Bundesanstalt đã thực hiện phép đo chính xác nhất từ trước đến nay về hằng số Boltzmann, hằng số được sử dụng để định nghĩa các đơn vị nhiệt độ.
Kể từ khi hệ mét được thiết lập vào những năm 1790, các nhà khoa học đã không ngừng cố gắng đưa ra những định nghĩa ngày càng chính xác cho những đơn vị này. Lần cập nhật sắp tới sẽ định nghĩa mỗi đơn vị cơ bản theo các hằng số cơ bản của vũ trụ được rút ra bởi vật lí hạt.
Minh họa: Sandbox Studio, Chicago
mét (khoảng cách):
Bắt đầu vào năm 1799, mét được định nghĩa bằng một thanh mét nguyên mẫu, nó chỉ là một thanh bạch kim mà thôi. Cuối cùng các nhà vật lí nhận thấy khoảng cách có thể được định nghĩa bằng tốc độ ánh sáng, nó được đo với độ chuẩn xác đến một phần tỉ bằng giao thoa kế (thật thú vị, đây chính là loại máy dò mà nhóm hợp tác LIGO đã dùng để khám phá sóng hấp dẫn). Mét hiện nay được định nghĩa là quãng đường ánh sáng đi được (trong chân không) trong 1/299.792.458 của một giây, và nói chung sẽ được giữ nguyên vào năm 2018.
kilogram (khối lượng):
Trong hơn một thế kỉ, chuẩn kilogram là một khối trụ nhỏ bằng bạch kim-iridium đặt tại Cục Cân nặng và Đo lường Quốc tế ở Pháp. Nhưng khối lượng chính xác của nó thăng giáng do các yếu tố như bụi bám hiển vi. Các nhà khoa học hi vọng định nghĩa lại kilogram vào năm 2018 bằng cách ấn định giá trị của hằng số Planck chính xác bằng 6,626070040.10-34 kg.m2/s. Hằng số Planck là lượng nhỏ nhất của năng lượng bị lượng tử hóa. Giá trị cơ bản này, được kí hiệu là h, là không thể thiếu để tính các năng lượng trong ngành vật lí hạt.
giây (thời gian):
Giây xa xưa nhất được định nghĩa theo các khoảng chia thời gian giữa những kì trăng tròn. Về sau, giây được định nghĩa theo ngày mặt trời, và cuối cùng theo thời gian cần thiết cho Trái đất quay xung quanh mặt trời. Ngày nay, giây được định nghĩa bằng đồng hồ nguyên tử, nó chuẩn xác đến một phần mười tỉ. Thời gian nguyên tử được tính theo các chu kì bức xạ của nguyên tử, một đại lượng phụ thuộc mạnh vào các kĩ thuật vật lí hạt. Một giây hiện nay được định nghĩa bằng 9.192.631.770 chu kì bức xạ của một nguyên tử Cesium-133 và vẫn được giữ nguyên.
kelvin (nhiệt độ):
Kelvin là thang nhiệt độ bắt đầu tại trạng thái lạnh nhất có thể có của vật chất. Hiện nay, một kelvin được định nghĩa bằng điểm ba của nước – tại đó nước có thể tồn tại ở dạng rắn, lỏng và khí. Điểm ba bằng 273,16 kelvin, vì thế một kelvin bằng 1/273,16 của điểm ba. Nhưng vì nước không bao giờ có thể hoàn toàn nguyên chất, nên các tạp chất có thể ảnh hưởng đến điểm ba. Năm 2018, các nhà khoa học hi vọng định nghĩa lại kelvin bằng cách ấn định giá trị của hằng số Boltzmann chính xác bằng 1,38064852.10-23 J/K. Hằng số Boltzmann liên hệ chuyển động của các hạt trong một chất khí (động năng trung bình) với nhiệt độ của chất khí. Được kí hiệu là k, hằng số Boltzmann có mặt trong khắp các phép tính liên quan đến nhiệt độ và entropy.
ampere (cường độ dòng điện):
André-Marie Ampère, thường được xem là cha đẻ của điện động lực học, vinh dự được có đơn vị cơ bản của cường độ dòng điện mang tên ông. Hiện nay, ampere được định nghĩa bằng lượng dòng điện cần thiết để tạo ra một lực bằng 2.10-7 N trên mỗi mét giữa hai dây dẫn song song dài vô hạn. Lẽ đương nhiên ta có chút khó khăn với sợi dây dài vô hạn, cho nên định nghĩa được đề xuất thay thế cho ampere là theo điện tích cơ bản của một hạt. Định nghĩa mới này sẽ dựa trên điện tích của electron, nó sẽ được ấn định bằng 1,6021766208.10-19 As.
candela (cường độ sáng):
Là đơn vị cuối cùng của hệ Si được thiết lập, candela đo cường độ sáng – cái chúng ta thường gọi là độ sáng. Các chuẩn ngày xưa cho candela sử dụng một hiện tượng từ cơ học lượng tử gọi là “bức xạ vật đen”. Đây là ánh sáng mà mọi vật thể phát ra là một hàm theo nhiệt của chúng. Hiện nay, candela được định nghĩa mang tính cơ bản hơn, bằng 1/683 watt trên radian vuông ở tần số 540.1012 hertz trên một diện tích nhất định, một định nghĩa sẽ được giữ nguyên. Bạn khó hình dung ư? Một ngọn nến phát ra ánh sáng có cường độ khoảng một candela.
mole (lượng chất):
Khác với mọi đơn vị cơ bản khác, mole đo riêng lượng chất mà thôi. Trong hàng trăm năm trời, các nhà khoa học từ thời Amedeo Avogadro đã tìm cách hiểu rõ hơn số lượng nguyên tử liên hệ như thế nào với khối lượng, dẫn tới định nghĩa hiện nay của mole: số nguyên tử có trong 12 gram carbon-12. Con số này, được gọi là hằng số Avogadro và được sử dụng trong nhiều phép tính trong ngành vật lí hạt, bằng khoảng 6.1023. Để làm cho mole chính xác hơn nữa, định nghĩa mới sẽ ấn định hằng số Avogadro đúng bằng 6,022140857.1023, tách nó ra khỏi kilogram.
Nguồn: Symmetry Magazine
