- Bài của Benjamin Skuse đăng trên Physics World, tháng 11/2018
Ở ngoại ô Paris, sâu tám mét dưới lòng đất, trong một căn hầm có kiểm soát khí hậu, là một khối trụ bằng hợp kim platinum đã 143 năm tuổi. Cao đúng 39 mm, nó chưa từng bị chạm qua bởi bất cứ bàn tay con người nào. Giống như con búp bê Nga, khối trụ ấy được giữ bên trong ba tầng chuông kính chồng lên nhau trong một căn hầm chỉ có thể mở cửa với đủ ba chìa được giữ bởi ba người khác nhau. Vây xung quanh vật thể bí ẩn ấy là “hàng trưng bày”: sáu khối trụ “y hệt” đúc từ hợp kim platinum giống vậy.
Mặc dù các nỗ lực giữ gìn chẳng kém việc bảo vệ Vải liệm Turin, song khối trụ ấy chẳng phải một linh vật thiêng liêng gì. Nó là Nguyên mẫu Kilogram Quốc tế (IPK), kilogram duy nhất đúng mà mọi nguyên mẫu khác phải đo theo. Đặt trong Pavillon de Breteuil – trụ sở của Cục Cân Đo Quốc tế (BIPM) – IPK sẽ sớm đánh mất vị thế độc tôn của nó và trở thành dư âm của một thời đã qua. Rồi đây nó cũng sẽ xa lạ như Nguyên mẫu Mét Quốc tế (IPM) – một thanh hợp kim platinum cũng đặt tại BIPM – từng giữ vai trò là thanh mét chính thức của thế giới cho đến năm 1960.
Vào ngày 16 tháng Mười Một năm 2018, các nhà đo lường học và các nhà lập pháp đến từ 60 nước trên khắp thế giới sẽ tụ tập tại Hội nghị Toàn thể về Cân nặng và Đo lường (CGPM) ở Versailles, Pháp. Chẳng có gì khác thường ở đây cả, vì hội nghị ấy cứ bốn năm lại nhóm họp một lần để thảo luận về ngân quỹ và các vấn đề đo lường học. Song cuộc họp lần này sẽ thật đặc biệt. Đại biểu của các nước sẽ bỏ phiếu thông qua một cải cách toàn diện nhất đối với Hệ Đơn vị Quốc tế (Système International, hay SI) kể từ khi nó được phê chuẩn vào năm 1960. Đó là một thay đổi sẽ bao gồm các định nghĩa mới của kelvin, ampere và mole, nhưng có lẽ đáng kể nhất là kilogram.
Mỗi đại biểu quốc gia sẽ bỏ một phiếu bầu trong một tiến trình được truyền hình trực tiếp trên mạng. Nếu cải cách được phê duyệt (và mọi thứ đều suôn sẻ) thì sự kiện này sẽ đánh dấu sự kết thúc của việc thiết lập các đơn vị dựa trên vật thể – một thực tiễn có từ cả thiên niên kỉ qua. Nó cũng sẽ hoàn thành một ước nguyện được nêu ra đầu tiên bởi James Clerk Maxwell, người đã dự đoán rằng các chuẩn đo lường rồi sẽ được định nghĩa bởi các hằng số không thể thay đổi của tự nhiên.
Ảnh: BIPM/iStock
Một nền tảng kiên cố
Phát biểu tại một cuộc họp của Liên đoàn Anh vì Sự tiến bộ của Khoa học ở Liverpool vào năm 1870, Maxwell nói với các đại biểu rằng “Giả sử… nếu chúng ta muốn thu được các chuẩn độ dài, thời gian, và khối lượng sẽ tuyệt đối vĩnh cửu, thì chúng ta phải tìm chúng không phải ở kích cỡ, hay chuyển động, hay khối lượng của hành tinh chúng ta, mà ở bước sóng, chu kì dao động, và khối lượng tuyệt đối của các phân tử bất tử và bất biến và giống nhau hoàn hảo này.”
Theo những người trong cuộc thì chẳng có dấu hiệu nào cho thấy kết quả phủ nhận tại cuộc họp BIPM trong tháng này, cho nên chúng ta an toàn mà nói rằng giải pháp thiết lập lại SI sẽ được thông qua suôn sẻ và ước muốn của Maxwell về các chuẩn “tuyệt đối vĩnh cửu” sẽ được hiện thực hóa. Khi đó hệ SI mới sẽ chính thức có hiệu lực vào ngày 20 tháng Năm năm 2019, đúng một tá tá (144) năm sau hiệp ước quốc tế đầu tiên về các đơn vị đo lường – Hiệp ước Mét – được kí vào cùng ngày năm 1875. Thế tại sao chuyện các đơn vị được xây dựng trên các hằng số của tự nhiên lại quan trọng đến vậy?
Các đơn vị đã là chủ đề chính của xã hội ít nhất kể từ thời người Ai Cập cổ đại. Họ sử dụng các bộ phận khác nhau của cơ thể người hay các vật trong môi trường xung quanh họ làm thang đo từ đó đo lường các vật. Thế nhưng các chuẩn này có thể khác biệt đáng kể từ nơi này sang nơi khác. Đối với các nhà triết học tự nhiên ở châu Âu thế kỉ 17 và 18, sự khác biệt đơn vị đo – nhất là về độ dài và khối lượng – khiến người ta hầu như không thể so sánh các kết quả cho cùng một hiện tượng vật lí nếu nó được đo ở những nơi khác nhau.
Đã có nhiều nỗ lực nhằm sáng tạo một thước đo chung và vào năm 1799 nước Pháp đã cho ra đời hệ mét, dựa trên hai đơn vị – mét và kilogram. Gọi là Mét Lưu trữ và Kilogram Lưu trữ, hai tạo tác bằng platinum này được giữ tại Phòng Lưu trữ Quốc gia ở Paris để định nghĩa hai đơn vị ấy một cách hợp pháp và thực tế. Các chuẩn này trụ được 90 năm cho đến khi chúng bị thay thế bởi IPM và IPK, chúng bền hơn và được thiết kế tốt hơn.
Để định nghĩa lại SI, người ta sử dụng một vài phép đo về các quả cầu silicon để xác định hằng số Avogadro. (Ảnh: Physikalisch-Technische Bundesanstalt/www.ptb.de)
Tư duy toàn cầu
Các đơn vị SI đã trở nên không thể tách rời trong khoa học. Từ joule xác định năng lượng đến katal để đo hoạt động xúc tác, cả thảy 29 đơn vị SI đã đặt tên có thể được định nghĩa bằng một kết hợp nào đó của đúng bảy đơn vị cơ bản: giây, mét, kilogram, ampere, kelvin, mole và candela. Thế nhưng khi khoa học ngày càng chính xác hơn trong thế kỉ 20, một vấn đề mới phát sinh. Bất kể đơn vị nào nếu dựa trên cái gì đó – một vật thể, một thí nghiệm hay một hiện tượng – không có tính vạn vật thì sẽ không ổn định.
Xét đơn vị giây. Trong lịch sử nó liên hệ với chuyển động quay của Trái Đất, chuyển động này được xác định là mất 24 giờ, trong đó một giờ là 60 phút, và một phút là 60 giây. Thế nhưng điều gì xảy ra nếu Trái Đất bắt đầu quay chậm đi, như hiện nay nó vẫn đang diễn ra dù rằng chuyển động chậm có tí xíu thôi? Một ngày sẽ kéo dài hơn, nghĩa là một giây cũng sẽ dài hơn. Như thế nghĩa là một ô tô chạy 30 km/h thật ra sẽ chuyển động hơi chậm hơn một tí, và một bóng đèn 30 W sẽ hơi mờ hơn một tí và, còn vớ vẩn hơn nữa, vũ trụ sẽ đang giãn nở ở một tốc độ khác.
Tuy nhiên, nếu khái niệm và độ dài của một giây được giữ lại còn chuyển động quay của Trái Đất bị loại khỏi định nghĩa và thay vào đó là cái gì đó không bao giờ thay đổi bất kể ở đâu và khi nào nó được đo trong vũ trụ, thì giây sẽ trở nên ổn định. Điều này diễn ra vào năm 1967, khi giây được định nghĩa lại là 9.192.631.770 lần chu kì bức xạ ứng với chuyển tiếp giữa hai mức siêu tinh tế của trạng thái cơ bản của nguyên tử caesium-133, Δν (xem Lược sử các phương pháp đo thời gian, Helen Margolis).
Sau đó, vào năm 1983, mét cũng được định nghĩa lại, là độ dài đường đi của ánh sáng trong chân không trong một khoảng thời gian bằng 1/299.792.458 giây. Độ chính xác ngoại hạng mà các nhà khoa học có thể đo khoảng cách và thời gian kể từ đó đã mang lại lợi ích cho xã hội, chí ít nó đã đưa đến các hệ thống định vị dựa trên vệ tinh, đáng chú ý là GPS.
Planck cứu nguy
Mặc dù đã phục vụ tốt cho xã hội trong 143 năm, song việc định nghĩa kilogram theo một vật thể là một khái niệm vốn dĩ không ổn định. Bởi vì nếu IPK trở nên nhẹ hơn hoặc nặng hơn, dù một lượng bé xíu thôi, thì khối lượng của vũ trụ biểu diễn theo kilogram cũng sẽ thay đổi – một vấn đề rõ là điên rồ. Hơi đáng lo ngại đấy, IPK đã và đang thay đổi thật. Khi các nhà đo lường học đo nó vào năm 1988-1991, IPK có khối lượng nhỏ hơn sáu vật trưng bày kia trung bình chừng 50 μg. Theo định nghĩa, điều này có nghĩa là các vật trưng bày bằng cách nào đó đã thu được một chút khối lượng, có lẽ bằng cách hấp thụ các phân tử không khí. Song có khả năng hơn – biết rằng nhiều bản sao quốc gia của kilogram cũng dường như thu thêm khối lượng – là IPK đã mất khối lượng. Hoặc có lẽ chúng đều nhận thêm hoặc mất khối lượng, chỉ là ở những tỉ lệ khác nhau.
Các nhà đo lường học không thấy có thêm bất kì chênh lệch nào giữa IPK và các vật trưng bày từ năm 1991 đến 2014, lần cuối các phép đo được thực hiện. Song thực tế không có khác biệt không có nghĩa là khối lượng của IPK hay của các vật trưng bày đã không thay đổi. Có khả năng chúng chỉ đang mất hoặc đang thu thêm khối lượng đồng bộ với nhau thôi. Và đó là vấn đề: có cách nào phân xử không bởi vì khối lượng luôn luôn được hiệu chỉnh theo IPK.
“Với hệ SI sửa đổi, chúng ta sẽ không phải lo về chuyện này nữa,” theo lời Richard Davis, một cựu trưởng ban khối lượng của BIPM và hiện là một cố vấn cho cục. Thay vì được định nghĩa theo khối lượng của một khối trụ bằng kim loại, trong hệ SI mới kilogram sẽ được xây dựng trên một hằng số cơ bản của vật lí lượng tử: hằng số Planck.
Mang tên Max Planck, người đã phát triển ý tưởng rằng năng lượng gồm những gói nhỏ gọi là các lượng tử, hằng số Planck, h, liên hệ năng lượng của một lượng tử bức xạ điện từ với tần số của nó bởi công thức nổi tiếng E = hν. Đến lượt hằng số Planck liên hệ với khối lượng qua hệ thức E = mc2 của Einstein. Hiện nay, h có giá trị đo được xấp xỉ 6,62607 × 10–34 m2 kg s–1, nhưng nay các nhà đo lường học muốn cố định giá trị của nó vĩnh viễn, cùng với kilogram được định nghĩa theo giá trị này.
Vì thế điều đó sẽ giã từ luôn IPK, một vật không ổn định về mặt vật chất, và giã từ luôn sai số trong giá trị của hằng số Planck. “Sau khi định nghĩa lại, hằng số Planck được ấn định một giá trị bất di bất dịch, còn sai số được điều chỉnh cho phù hợp hơn với khối lượng của IPK,” phát biểu của Stephan Schlamminger, một nhà đo lường học đến từ Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mĩ. “Và với một hằng số Planck cố định, các dụng cụ tốt hơn sẽ có thể hiện thực hóa kilogram càng chính xác hơn.”
