Tháng 04, 2019
Thứ ba
Thứ Hai, ngày 19/11/2018 16:33 PM (GMT+7)

Tái định nghĩa kilogram: Nỗ lực không ngừng xuyên thế kỷ

Tuần qua, đại diện của hơn 60 quốc gia đã có mặt tại Versailles, Pháp để cùng nhau phê chuẩn định nghĩa mới về kilogram. Đơn vị đo lường khối lượng chúng ta đang dùng sẽ không còn là nó của ngày hôm qua nữa.

Đơn vị đo lường khối lượng được sử dụng rộng rãi gần như trên toàn thế giới ngày nay được các nhà khoa học xác định từ thế kỷ thứ 19. Lúc bấy giờ, một khối kim loại đen ánh bạch kim được chọn làm mẫu kilogram chuẩn và được cất giữ tại hầm kín ở Văn phòng Cân đo Quốc tế (BIPM) ở Sevres, Pháp.

Một kilogram chúng ta đo đạc trong suốt hàng thế kỷ qua được dựa trên quy chuẩn của khối vật thể hình trụ này. Nếu mẫu kilogram chuẩn bị thay đổi dù chỉ là một chút, thì toàn bộ hệ thống đo lường trên toàn cầu cũng sẽ bị ảnh hưởng theo. Bằng kết quả của cuộc bỏ phiếu, các nhà khoa học sẽ xác định lại một kilogram cho thế kỷ 21 từ hằng số Planck - hằng số cơ bản trong vật lý lượng tử, đơn vị đo năng lượng nhỏ nhất.

Tái định nghĩa kilogram: Nỗ lực không ngừng xuyên thế kỷ - 1

Những khối kim loại nặng một kilogram cùng chiếc cân cổ điển trưng bày ở Saussay-la-Campagne, Pháp. Ảnh: Christian Hartmann/Reuters.

Nhờ những công trình nghiên cứu của Albert Einstein, chúng ta biết được năng lượng và khối lượng có liên quan đến nhau. Xác định chính xác khối lượng từ năng lượng, các nhà khoa học có thể dựa theo hằng số Planck để tính toán khối lượng. Việc đo đạc này căn cứ trên một giá trị trong không gian và thời gian, sẽ chính xác hơn rất nhiều so với việc lấy một khối trụ kim loại làm chuẩn.

Việc định nghĩa lại kilogram chuẩn là kết quả của chuỗi công việc được thực hiện cùng nhau trên toàn thế giới trong suốt hàng chục năm qua, đảm bảo sự đo lường hằng số Planck được liên tục và chính xác đến mức con số đó sẽ được giữ nguyên qua thời gian trong sự giám sát chặt chẽ của khoa học hiện đại.

Tái định nghĩa kilogram: Nỗ lực không ngừng xuyên thế kỷ - 2

Một bản sao khối kilogram chuẩn quốc tế được đặt tại Sevres, gần Paris, Pháp. Ảnh: Christophe Ena/Associated Press.

Mặc dù sự thay đổi về định nghĩa của kilogram chuẩn không khiến cuộc sống của bạn bị đảo lộn, nhưng nó cực kỳ cần thiết trong việc ứng dụng thực tế các nghiên cứu khoa học hoặc những ngành nghề cần đến sự đo lường tỉ mỉ. Thật ra định nghĩa mới vốn sẽ được thông qua, cuộc bỏ phiếu chỉ là hình thức. Sự kiện này đánh dấu bước chuyển mới cho cả giới kinh doanh và ngành vật lý.

Jon Pratt, một trong những người đứng đầu cơ quan này, chia sẻ đây là sự kiện mang tính biểu tượng, “Khi chúng ta sống giữa thời đại mà sự chia rẽ nhau đang lên ngôi và mọi người khó có thể đồng ý cho một vấn đề chung, thì việc cùng nhau đồng ý và tái định nghĩa lại đơn vị đo trên toàn cầu là một điều tuyệt vời.”

Tạm biệt ‘Le Grand K’

Ở Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) tại thành phố Gaithersburg, bang Maryland (Mỹ), nơi Pratt đang làm việc, đo lường là cơ sở hạ tầng vô hình của thế giới hiện đại. Mọi thứ mà chúng ta làm, từ xem đồng hồ, dự báo thời tiết, nấu ăn, xây dựng, phóng tên lửa hay tiến hành chiến tranh, đều phải dựa trên những đơn vị đo lường.

Hệ thống đơn vị đo lường quốc tế (SI) như một ngôn ngữ chung cho thế giới kết nối ngày nay. Hệ thống này có nguồn gốc từ Thời kỳ Khai Sáng (thế kỷ 18) giúp kết thúc những cuộc cãi vã khi Tây Ban Nha sử dụng đơn vị vara để giao dịch với các thương lái Anh Quốc, cũng như những bất đồng trong cách đo lường của các tàu buôn Hà Lan hay Pháp lúc bấy giờ.

Tái định nghĩa kilogram: Nỗ lực không ngừng xuyên thế kỷ - 3

Khối kilogram chuẩn tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST). Ảnh: Salwan Georges/The Washington Post.

Năm 1875, Công ước Mét (Meter) được ký kết và hệ thống đo lường này được chính thức thông qua. Hai nguyên mẫu bạch kim và iridium - một thanh có chiều dài một mét và một khối trụ có khối lượng một kilogram - đã được đúc và được chọn làm tiêu chuẩn cho hệ đo lường trên khắp thế giới.

BIPM gửi các bản sao của những khối mẫu này cho những quốc gia ký kết công ước và khối kilogram chuẩn của Hoa Kỳ ngày nay vẫn được lưu trữ tại NIST. Khi khoa học gắn liền mật thiết hơn với các hoạt động thương mại toàn cầu, SI được mở rộng để đo đạc các loại đơn vị đo khác và được sửa đổi cho phép độ chính xác ngày càng lớn hơn.

Tuy vậy, không giống như tốc độ ánh sáng, tương tác phân tử, bản chất điện từ – các đặc tính cơ bản của tự nhiên – không thay đổi dù ở bất cứ không gian hay thời gian nào, những giá trị của hệ SI dựa trên những mẫu vật bằng vật chất dễ dàng bị thay đổi sau khi trải qua hàng trăm năm.

Nguyên mẫu kilogram hay còn được gọi là “Le Grand K” được tạo ra bởi con người và vì vậy cũng bị những hạn chế như con người. Không phải ai cũng có thể dễ dàng tiếp cận được khối vật chất mẫu này, chỉ 3 người giữ 3 chiếc chìa khóa khác nhau cùng nhau mở khung an toàn mới có thể chạm được đến khối kilogram mẫu.

Tái định nghĩa kilogram: Nỗ lực không ngừng xuyên thế kỷ - 4

Jon Pratt tại NIST – nơi làm việc của ông, ở thành phố Gaithersburg, bang Maryland, Mỹ. Ảnh: Salwan Georges/The Washington Post.

Vào thập niên 1980 khi Le Grand K được kiểm tra, người ta phát hiện thấy nó bị nhẹ hơn vài microgram so với số đo chuẩn ban đầu. Điều này có nghĩa là toàn bộ hệ thống đo lường trên thế giới sẽ bị điều chỉnh lại dựa theo chuẩn mực này. Những doanh nghiệp rất giận dữ, các nhà lập pháp được gọi đến để chất vấn, giới khoa học bị cáo buộc là không đủ năng lực cho công việc này.

Vì thế, tại cuộc họp vào năm 2014 của BIPM, cộng đồng đo lường đã quyết định đo lại một kilogram dựa trên hằng số Planck. Nhưng lúc bấy giờ, hằng số Planck vẫn chưa được xác định chắc chắn và giới khoa học sẽ không thể xác định được một kilogram nếu thiếu con số này.

Theo đuổi sự hoàn hảo

Đã hơn 100 năm kể từ khi nhà vật lý lượng tử Max Planck phát hiện rằng năng lượng được thể hiện qua các đơn vị đo riêng biệt, nghĩa là “lượng tử hóa” nó. Nhưng hằng số của ông - con số miêu tả kích thước của năng lượng - rất khó để xác định được chính xác. Chỉ có hai thí nghiệm có thể được thực hiện giúp tìm ra con số này, và chúng đều cần có thiết bị khoa học hiếm có và đắt tiền.

Kỹ thuật đo này nói cho dễ hiểu, là đếm tất cả số nguyên tử có trong một quả cầu silicon tròn đến mức độ hoàn hảo tuyệt đối. Phương pháp còn lại là sử dụng một chiếc cân cực chính xác được gọi là máy cân bằng watt, để đo khối lượng của vật chất bằng cách tính toán lực cần thiết để nâng nó lên.

Tái định nghĩa kilogram: Nỗ lực không ngừng xuyên thế kỷ - 5

Máy đo cân bằng watt ở NIST. Ảnh: Salwan Georges/The Washington Post.

Đây không phải là chiếc cân bình thường như chúng ta sử dụng hằng ngày. Một nhóm các nhà khoa học người Anh mất vài thập niên để phát minh và tinh chỉnh nó đến mức độ cực kỳ chính xác. Và chỉ có hai thiết bị trên thế giới đáp ứng được các tiêu chuẩn khắt khe của BIPM về độ chính xác.

Một nằm ở Canada, thiết bị còn lại nằm ở tầng hầm của NIST, nơi Jon Pratt đang làm việc. “Đó thật sự là một dụng cụ đo tuyệt vời, tôi thích đến đây và nhìn chằm chằm vào nó,” Pratt chia sẻ khi đứng trước căn phòng được bọc thép cực kỳ bảo mật, nơi cỗ máy đo sự cân bằng đang được cất giữ bên trong.

Tái định nghĩa kilogram: Nỗ lực không ngừng xuyên thế kỷ - 6

Jon Pratt, người theo đuổi sự hoàn hảo, đã cùng các cộng sự của mình tạo ra con số chính xác nhất trong lịch sử loài người. Ảnh: Salwan Georges/The Washington Post.

Đó là một khối kim loại khổng lồ mất 5 năm để xây dựng, nó có chiều cao ngang một cầu thủ bóng rổ chuyên nghiệp và sáng bóng như một quả cầu disco, với chân đế cacbua vonfram và một tảng nam châm nặng một tấn giúp tạo ra lực. Tất cả đều được đặt trong một buồng chân không khép kín. Trước khi mỗi thí nghiệm đo được thực hiện, Pratt phải đảm bảo điều kiện xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm cho đến lực hấp dẫn của Trái Đất phải ở mức hoàn hảo tuyệt đối.

Yêu cầu từ BIPM vào năm 2014 cần sự chính xác của hằng số Planck là cực cao, độ sai số không được lớn hơn 20 phần tỷ, hay 0,000002 phần trăm. Ngày 30 tháng 6 năm 2017, một ngày trước hạn chót được đặt ra bởi BIPM, Pratt và các cộng sự đã công bố kết quả của con số bí ẩn này.

Hằng số Planck bằng 6,626069934 × 10^−34kg.m2/s, sai số 13 phần tỷ.

Tái định nghĩa kilogram: Nỗ lực không ngừng xuyên thế kỷ - 7

Jon Pratt cùng cỗ máy cân bằng watt ở NIST. Ảnh: Salwan Georges/The Washington Post.

Con số này sẽ gây khó hiểu với những người không chuyên. Nhưng đối với Pratt, đó là khoảnh khắc tuyệt vời khi ông kéo xuống được một bức màn che chắn vũ trụ, làm hé lộ sự vận hành tinh tế của không gian bao la ngoài kia.

Từ tầng hầm của phòng thí nghiệm, những tiếng reo hò được vang lên bởi Pratt và nhóm nghiên cứu gia của mình, họ đã đạt được sự hoàn hảo mà chưa có bất kỳ con người nào có thể làm được. Giờ đây, đơn vị đo của con người đã được gắn liền chặt chẽ với sự vận hành của vũ trụ, một thứ chính xác đến tuyệt đối.

Quang Niên (Theo The Washington Post)

Tin đọc nhiều

Đây là nơi cô đơn nhất trong vũ trụ Nếu con người sinh sống tại đây, phải đến những năm 1960,...
Phát hiện ra lỗi nghiêm trọng trong pin Mặt Trời sau 40 năm nghiên cứu Các nhà khoa học cuối cùng cũng phát hiện ra 1 nghiêm trọng...
Điều gì tạo nên khối vật chất lớn bất thường trên Mặt trăng? Vùng khuất của Mặt trăng có một khối vật chất cực kì lớn nằm...
Vật liệu rắn nhẹ nhất thế giới, đứng được trên ngọn lửa Aerogel có khối lượng riêng cực thấp. Nó được NASA sử dụng...