Đơn vị đo lường mới: Theo chuẩn các hằng số tự nhiên
Trong Hệ các đơn vị quốc tế mới, tất cả các phép đo lường sẽ được mô tả bằng các hằng số cơ bản của tự nhiên và được suy ra thông qua các thí nghiệm. Lần đầu tiên kể từ năm 1875, chúng ta có những định nghĩa mới về các đơn vị đo lường.
Ý tưởng định nghĩa tất cả các đơn vị đo lường dựa trên các hằng số của tự nhiên – vốn không thay đổi và không thuộc về một quốc gia nào – đã xuất hiện từ cuối thế kỷ XIX. Nhưng phải mất gần 150 năm để các nhà khoa học có thể xác định các giá trị hằng số với đủ độ chính xác để thực hiện ý tưởng này.
Tại cuộc họp vào ngày 16/11/2018 tại Hội nghị liên hiệp chính phủ về Trọng lượng và Đo lường ở Versailles, Pháp, 60 đại biểu đến từ các quốc gia đã nhất trí bỏ phiếu để thay đổi cách định nghĩa 4 đơn vị cơ bản ampere (đo cường độ dòng điện), kilogram (đo khối lượng), kelvin (đo nhiệt độ) và mole (đo số hạt nguyên tử hoặc phân tử của các chất). “Có lẽ từ thời Lưỡng Hà cách đây 5.000 năm, về nguyên tắc mỗi vật thể đơn lẻ đều tự có khối lượng hay trọng lượng chuẩn tùy thuộc vào vị trí”, Terry Quinn, nguyên Giám đốc cơ quan Trọng lượng và Đo lường Quốc tế (BIPM) nói. “Từ ngày 20/5/2019, nguyên tắc này sẽ không còn nữa. Tôi nghĩ điều đó thật phi thường. ”
Nhưng Hệ thống đơn vị quốc tế (SI – International System of Unit) vẫn còn những điểm yếu, David Newell, nhà vật lý tại Viện nghiên cứu Tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia Mỹ (NIST), nhận xét. Các nhà đo lường học sẽ phải tiếp tục nghiên cứu để cải thiện định nghĩa về đơn vị đo thời gian giây và có thể đưa thêm nhiều đơn vị đo lường nữa vào Hệ SI. “Nó giống như phần cuối của loạt truyện Harry Potter: chiến thắng là tốt nhưng vẫn còn nhiều việc phải làm”, Newell nói. Trong hệ SI, “còn một mớ hỗn độn cần được sắp xếp gọn ghẽ”.
Sử dụng các hằng số
Thông thường, các phép đo phải được thực hiện dựa trên việc tham chiếu và các tham chiếu chuẩn phải được đảm bảo là có thể so sánh các đơn vị với nhau mà vẫn giữ được sự nhất quán trên toàn cầu – từ việc định lượng milligram các loại thuốc đến sự cân chỉnh thời gian của Hệ thống định vị toàn cầu GPS. Đối với khối lượng, mọi phép đo phải được truy nguyên trở lại theo đơn vị kilogram đặt ở Pháp.
Với quyết định đưa ra ở Versailles, “Le Grand K” – khối hình trụ kim loại có kích thước bằng lòng bàn tay được xác định là khối kilogam tiêu chuẩn, nằm trong một cái hầm ở Sèvres, ngoại ô Paris từ năm 1889 – từ nay sẽ mất đi vị thế đặc biệt của nó.
Mặc dù theo định nghĩa, Le Grand K luôn luôn có số cân chính xác là 1 kilogram nhưng các bản sao của nó thì có thay đổi một chút về khối lượng. Nguyên nhân là các đồ tạo tác dễ bị hao hụt hoặc bị hư hỏng về mặt vật lý, do đó, sự thay đổi chuẩn sẽ làm cho định nghĩa khối lượng đáng tin cậy hơn. Hiện chưa thể nói liệu Le Grand K có thực sự mất hay tăng các nguyên tử hay không, chúng ta cần phải chờ kết quả của các nghiên cứu trong tương lai.
Về đơn vị đo điện tích, các nhà đo lường đã tinh lọc các thí nghiệm đếm dòng các electron riêng lẻ, qua đó cho phép họ sử dụng điện tích trên một đơn hạt để định nghĩa ampere – định nghĩa cũ dựa trên một thí nghiệm với giả thuyết liên quan đến hai sợi dây dẫn bằng kim loại dài vô hạn. Sự tái định nghĩa lượng tử này sẽ đem lại sự chính xác cao hơn so với những tiêu chuẩn trước đây.
Đơn vị nhiệt độ Kelvin sẽ sớm được xác định bằng hằng số Boltzmann – đại lượng chuyển đổi cơ bản giữa nhiệt độ và năng lượng do Max Planck phát hiện ra và đặt tên theo nhà vật lý Ludwig Boltzmann, thay vì tham chiếu đến các điều kiện tương ứng với nhiệt độ nước xác định.
Trong khi đó đơn vị mole – một phép đo vật chất tương đương với số lượng nguyên tử trong 0,012kilogam đồng vị carbon -12, sẽ sớm bằng hằng số Avogadro, hằng số được lấy tên theo nhà hóa học kiêm vật lý Amedeo Avogadro.
Những vấn đề còn lại
Trong trường hợp của đơn vị đo khối lượng kilogram, việc định nghĩa lại có nghĩa là phải đo được hằng số Planck, một con số xác định kích thước của các gói năng lượng ở kích thước lượng tử, với độ chính xác tinh tế. Một phương pháp xác định hằng số Planck (phương pháp cân Kibble) bằng cách cân khối lượng đã biết theo lực điện từ. Ngoài ra phải kể đến phương pháp đếm số phân tử trong hai quả cầu silicon-28 để thu được giá trị hằng số Avogadro, nhằm chuyển đổi ra hằng số Planck.
Áp dụng hai phương pháp này, các nhóm nghiên cứu chỉ đạt được giá trị có độ chênh lệch đủ nhỏ vào năm 2015. “Chỉ cần cân bằng nhau ở vài phần triệu đã là điều phi thường, bởi vì chúng đều là những định nghĩa dựa trên các lĩnh vực vật lý hoàn toàn khác nhau,” Quinn nói.
Các hằng số sẽ được cố định theo các giá trị thống nhất của chúng – giống như việc cố định tốc độ ánh sáng khi nó là cơ sở cho việc định nghĩa mét năm 1983. Để xác định các đơn vị, các nhà đo lường sẽ lật lại các thí nghiệm các hằng số trước đó, ví dụ dùng giá trị cố định của hằng số Planck trong cân Kibble để xác định lực điện từ và trọng lượng của một vật thể chưa xác định.
Những giá trị mới không chỉ được ghi nhận trong hệ thống SI mà với cả các nhà đo lường tại NIST: một số người gần đây đã liên tục xăm hằng số Planck trên cánh tay mình.
Vẻ đẹp của Hệ SI là bất kỳ thử nghiệm nào cũng đều có thể được sử dụng để xác định các đơn vị đo lường, Estefanía de Mirandés, một nhà đo lường tại BIPM, nói. Điều này không chỉ làm cho các giá trị của hệ thống bình đẳng hơn mà còn là “minh chứng tương lai” cho định nghĩa về các đơn vị đo lường, để chúng có thể được dùng trong các thử nghiệm mới hơn, chính xác hơn trong tương lai. Có khả năng đây sẽ là chìa khóa cho các ngành công nghệ mới.
Thực tế là nó cho phép đo các vật thể có khối lượng rất lớn và rất nhỏ với độ chính xác cao hơn nhiều so với phép đo ở thời điểm hiện tại, cô giải thích.
Đơn vị kilogram mới
Các nhà đo lường học không thể đi thẳng vào thế giới mới nhiều thử thách này. Mặc dù sự thống nhất giữa các thí nghiệm đủ đưa đến tái định nghĩa đơn vị khối lượng nhưng nó vẫn không đủ hoàn hảo. BIPM sẽ đóng vai trò như một trọng tài cho đến khi những sai số nhỏ giữa các phép đo khối lượng tốt nhất thế giới được giải quyết. Họ sẽ yêu cầu mỗi nhóm nghiên cứu thực hiện các phép đo đạc trên cùng một đối tượng, và đưa ra các giá trị khối lượng trung bình mà thế giới có thể so sánh. Theo De Mirandés, có thể sẽ mất đến 10 năm giải quyết được những bất đồng đó.
Ngay cả ở thời điểm này, các mẫu khối lượng vật lý quý giá vẫn được các phòng thí nghiệm đo lường quốc gia cất giữ bởi ít phòng thí nghiệm có đủ các thiết bị cần thiết để xác nhận được một kilogram, trọng lượng đóng vai trò chuyển đổi tiêu chuẩn khối lượng từ các phòng thí nghiệm quốc gia như NIST sang các ngành công nghiệp cần đến chúng, chẳng hạn như hàng không vũ trụ và công nghệ sinh học.
NIST và các phòng thí nghiệm quốc gia ở Anh và Đức đều đang sử dụng các cân để bàn Kibble rẻ hơn, nhằm mục đích để các công ty và các phòng thí nghiệm nhỏ hơn có thể tự mình đo đạc khối lượng trong một ngày nào đó.
Chỉ một giây thôi
Việc tái định nghĩa các đơn vị đo lường làm mất nhiều thời gian của các nhà đo lường học, ít nhất là từ năm 2005. Tiếp theo, họ sẽ chuyển sang đơn vị giây, đơn vị hiện đang được mô tả trong mối liên hệ với tần số của ánh sáng vi ba hấp thụ và do các nguyên tử cesium-133 phát ra. Các nguyên tử này giờ đây đã trội hơn cả “đồng hồ quang học” khi sử dụng các nguyên tử khác nhau tương tác với ánh sáng khả kiến có tần số cao hơn và có khả năng xác định thời gian chính xác hơn: chỉ 1 giây so với tuổi vũ trụ.
Để cập nhật định nghĩa thứ hai vào năm 2026 như nhiều nhà đo lường hy vọng, cộng đồng sẽ cần phát triển các phương pháp để so sánh các đồng hồ quang học trên khắp thế giới và quyết định xem nguyên tử hoặc những nguyên tử nào sẽ được chọn làm chuẩn.
Một vấn đề khác mà các nhà đo lường cố gắng giải quyết là tìm ra cách hợp lý hơn để “bao bọc” cả các đại lượng không thứ nguyên, chẳng hạn như radian – tỷ lệ chiều dài vòng cung của vòng tròn với bán kính, trong hệ SI. “Một số cộng đồng nỗ lực thúc đẩy cho điều đó”, De Mirandés nói.
Đối với BIPM, đơn vị được thành lập vào năm 1875 để lưu trữ các tiêu chuẩn vật lý về metre và kilogram, cuộc cách mạng của hệ SI là sự trộn lẫn của vị ngọt và đắng. Trong khi các diễn giả tại cuộc họp vui vẻ chuyện phiếm là sẽ không cần phải đi đến Paris để “đọ chuẩn” nữa, BIPM thì biết rằng hàng núi công việc đang chờ đón họ trong tương lai. De Mirandés nhận xét: “Sự kết thúc của một thời kỳ cũng là sự khởi đầu của một thời kỳ mới.” ¨
TS. Lê Xuân Chung (Viện KH&KT hạt nhân, Viện NLNTVN) lược dịch
Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-018-07424-8
