Cân watt
Để bước đi cho đúng, điều quan trọng là giá trị mà người ta ấn định cho hằng số Planck được đo càng chính xác càng tốt vào lúc này. Trách nhiệm này nằm ở các phép đo từ hai loại thí nghiệm rất khác nhau. Thí nghiệm thứ nhất được gọi là cân Kibble, trước đây gọi là cân watt nhưng nay được đặt tên lại để tưởng nhớ người phát minh của nó, Bryan Kibble ở Phòng thí nghiệm Vật lí Quốc gia Anh, ông đã qua đời vào năm 2016. Hiện nay, chỉ có Pháp, Canada và Mĩ mới có các cân Kibble có khả năng tiến hành các phép đo cần thiết để ấn định hằng số Planck. Tuy nhiên, nhiều nước khác cũng đang nghiên cứu chế tạo cân Kibble của riêng họ. Là một bộ cân công nghệ cao, cân Kibble sử dụng lực điện từ sinh bởi một cuộn dây dìm trong một từ trường để thăng bằng một vật nặng 1 kilogram. Thiết bị này cho phép các nhà đo lường học thu được giá trị chính xác của dòng điện và điện áp, từ đó có thể suy ra hằng số Planck.
Cân Kibble
Cân Kibble là gì? Cân Kibble (hay cân watt) gồm một cuộc dây tròn, đặt nằm ngang, chiều dài L, treo bên dưới một tay đòn của cân. Cuộn dây được đặt trong một từ trường mạnh, B, và một dòng điện, I, đi qua nó tạo ra một lực, F = BIL, lực này có thể điều chỉnh cho bằng với trọng lượng của một vật nặng đặt chung một tay đòn của cân (mg). Khi ấy khối lượng được cho bởi m = BIL/g.
Vấn đề là gì? Mặc dù có thể đo I chính xác, nhưng thật khó đo chính xác B và L.
Vậy đâu là giải pháp? Các nhà đo lường học có thể loại bỏ vật nặng và cấp cho cuộn dây tốc độ u trong từ trường để tạo ra điện áp V = BLu. Dụng cụ được gọi là cân watt bởi vì, bằng cách sắp xếp lại hai phương trình, công suất điện (VI) cân bằng với công suất cơ (mgu). Nói cách khác, m = VI/gu. Vì u dễ đo và g (gia tốc trọng trường) đã biết rõ, thành ra các vấn đề với việc đo B và L không còn nữa.
Thế thì liên quan gì đến hằng số Planck, h? Đó là một chút khéo léo. Dòng điện được xác định bằng cách cho nó đi qua một vật dẫn và sử dụng hiệu ứng Josephson để đo độ giảm thế thu được. Hiệu ứng này mô tả thực tế rằng nếu hai chất siêu dẫn ngăn cách nhau bởi một lớp cách điện mỏng, thì các cặp electron trong mỗi lớp kết hợp sao cho bức xạ vi sóng tần số f tạo ra một điện áp giữa hai bên lớp đó, V = hf/2e, trong đó e là điện tích electron. Điện trở của vật dẫn có thể đo được bởi vì dòng electron trong các hệ 2D ở nhiệt độ cực thấp bị lượng tử hóa, với độ dẫn điện tăng theo bội số của e2/h.
Thế vì sao điều này có lợi cho đo lường học? Cho đến nay, cân Kibble đo h theo các đơn vị SI. Song khi định nghĩa của kilogram thay đổi, thì giá trị số của h sẽ cố định mãi mãi, cho phép bất kì ai sử dụng cân sẽ đo được khối lượng với độ chính xác ngoại hạng.
Cách thứ hai đo h được gọi là mật độ tinh thể tia X (XRCD) hay thí nghiệm Avogadro. Nó liên quan đến một tinh thể đồng đều gồm các nguyên tử silicon-28 được chế tác thành một quả cầu 1 kg tròn hoàn hảo. Sử dụng phép đo giao thoa quang học, các nhà đo lường học trước tiên tính đường kính chung – và do đó thể tích – của quả cầu. Sau đó, bằng cách kết hợp phép đo giao thoa quang học với phân tích tia X, họ có thể tính ra khoảng cách giữa các nguyên tử, thể tích mỗi nguyên tử chiếm giữ, và suy ra tổng số nguyên tử trong quả cầu. Cuối cùng, bằng cách cân quả cầu, họ có thể xác định hằng số Avogadro. Phương pháp này xác định có bao nhiêu nguyên tử hay phân tử trong một mole chất – một đại lượng hơi khác với khối lượng, tức là nó sẽ định nghĩa mole. Một phương trình từ vật lí nguyên tử liên hệ hằng số Avogadro và hằng số Planck sẽ cho phép người ta thu được một giá trị chính xác của hằng số Planck.
Các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đã sử dụng hai kĩ thuật khác nhau này để đo hằng số Planck với độ chính xác ngoại hạng, đem lại giá trị cuối cùng, được thống nhất là 6,626070150 × 10–34 kg m2 s–1, với sai số tương đối chỉ bằng 10 phần tỉ (2018 Metrologia 55L13). Và một khi hằng số Planck và hằng số Avogadro được ấn định, các thí nghiệm phức tạp từ đó suy ra chúng có thể được dùng làm chuẩn để đo kilogram và đo mole.
Tác động thực tế
Cách dễ nhất để biết phương pháp này hoạt động ra sao là xét cân Kibble. Cho đến lúc này, nó được dùng để đo các giá trị chính xác của dòng điện và điện áp rồi cho vào các phương trình đem lại hằng số Planck. Trong tương lai, hằng số Planck sẽ là một giá trị cố định, và thay vậy những phép đo giống như thế sẽ đem lại khối lượng ở trên cân. Nói cách khác, bất kì ai sử dụng cân Kibble đều có thể hiện thực hóa một kilogram hoàn hảo. Nguyên lí tương tự cũng áp dụng cho ampere và kelvin, trong tương lai chúng sẽ lần lượt được cho theo điện tích trên electron, e, và hằng số Boltzmann, k. Thiết bị được thiết kế để đo chính xác các hằng số cơ bản này sẽ điều hướng sang hiện thực hóa chính xác các đơn vị ampere và kelvin. Còn với mét, giây và candela, các định nghĩa của chúng sẽ được điều chỉnh song vẫn không thay đổi gì nhiều.
Ngoài lĩnh vực đo lường học, hệ SI mới sẽ có ít hệ quả thực tế trước mắt, và chẳng mấy ai để ý đến nó. Suy cho cùng, các đơn vị có thể được định nghĩa khác đi, song mục tiêu là luôn giữ cỡ của chúng như cũ. Thế nhưng việc định nghĩa kilogram, kelvin, ampere và mole theo những cách hoàn toàn mới dựa trên các hằng số của tự nhiên khiến chúng bất biến, dễ dàng truy xuất và mang tính thực tiễn. Do đó, các nhà khoa học sẽ có thể đo chúng ở bất cứ nơi nào hay bất cứ khi nào, và trên mọi cấp độ.
“Đây là lần đầu tiên chúng ta có thể đo các đại lượng rất nhỏ và rất lớn với độ chính xác cực cao như nhau do bởi các hằng số cơ bản không hề quan tâm đến cấp độ,” Schlamminger nói. Điều này là quan trọng. Trước khi mét được định nghĩa lại, độ dài chỉ có thể đo chính xác khoảng một mét thôi. Nhưng kể từ khi định nghĩa lại, các ứng dụng chính xác cao như vi điện tử học đã hưởng lợi rất nhiều từ độ chuẩn xác mà chúng có thể đo khoảng cách ở những cấp độ cực bé.
Tương tự, kilogram mới sẽ cho phép kilogram, gram và milligram được đo với độ chính xác như nhau, dù cho khối lượng nguyên tử có đo theo kilogram thì cũng thế. Miễn là có một kết nối thực nghiệm với hằng số Planck, khối lượng sẽ có thể được đo. Vì thế, các nhà đo lường học đang đua nhau chế tạo cân Kibble để bàn và các dụng cụ mới đo khối lượng chính xác ở các cấp độ lớn cũng như nhỏ. Vì thế đơn vị khối lượng mới và các đơn vị SI nói chung sẽ thích nghi được trong thế kỉ 21, và sẽ trụ được lâu dài trong tương lai. Như Schlamminger kết luận rất đúng: “Hệ SI mới là một công trình về cái đẹp và lô gic.”
TỐNG CỰU NGHINH TÂN
Đơn vị khối lượng SI: kilogram
Cũ: Kilogram bằng khối lượng của Nguyên mẫu Kilogram Quốc tế.
Mới: Kilogram (kg) được định nghĩa bằng cách ấn định giá trị số của hằng số Planck h bằng 6,626070150 ´ 10–34 khi biểu diễn theo đơn vị J s, tức là bằng kg m2 s–1, trong đó mét và giây được định nghĩa theo c và ∆ν.
Giải thích: Kilogram sẽ được định nghĩa theo hằng số Planck thay cho khối lượng của một khối trụ bằng kim loại gọi là Nguyên mẫu Kilogram Quốc tế.
Đơn vị cường độ dòng điện SI: ampere
Cũ: Ampere là cường độ dòng điện không đổi, nếu duy trì trong hai dây dẫn thẳng song song dài vô hạn, có tiết diện tròn bỏ qua được, và cách nhau 1 m trong chân không, thì sẽ tạo ra giữa hai dây dẫn này một lực bằng 2 × 10–7 N trên mỗi mét độ dài.
Mới: Ampere (A) được định nghĩa bằng cách ấn định giá trị số của điện tích nguyên tố e là 1,602176634 × 10–19 khi biểu diễn theo coulomb, tức là bằng A s, trong đó giây được định nghĩa theo ∆ν.
Giải thích: Ampere sẽ được định nghĩa theo lượng điện tích nguyên tố đi qua mỗi giây thay cho một thí nghiệm tưởng tượng và không khả thi liên quan đến lực tương tác giữa hai dây dẫn mang dòng điện, song song, dài vô hạn.
Đơn vị lượng chất SI: mole
Cũ: Mole là lượng chất của một hệ chứa số lượng thực thể nguyên tố bằng số nguyên tử có trong 0,012 kg carbon-12.
Mới: Mole (mol) chứa đúng 6,02214076 × 1023 thực thể nguyên tố. Con số này là giá trị số cố định của hằng số Avogadro, NA, khi biểu diễn theo đơn vị mol–1 và được gọi là số Avogadro.
Giải thích: Mole sẽ được định nghĩa theo một số lượng nguyên tử hay phân tử nhất định, thay cho một lượng liên hệ mật thiết với việc đo khối lượng của một mẫu.
Đơn vị nhiệt độ nhiệt động lực học SI: kelvin
Cũ: Kelvin, đơn vị của nhiệt độ nhiệt động lực học, là phân số 1/273,16 của nhiệt độ nhiệt động lực học của điểm ba của nước.
Mới: Kelvin (K) được định nghĩa bằng cách ấn định giá trị số của hằng số Boltzmann k là 1,380649× 10—23 khi biểu diễn theo đơn vị J K1, tức là bằng kg m2 s—2 K1, trong đó kilogram, mét và giây được định nghĩa theo h, c và ∆ν.
Giải thích: Kelvin sẽ được định nghĩa thông qua hằng số liên hệ nhiệt độ nhiệt động lực học với năng lượng (hằng số Boltzmann), thay cho một điểm tại đó nước đồng thời tồn tại ở dạng lỏng, hơi và rắn.
Bài được dịch từ tạp chí Physics World, số tháng 11/2018
