Kilogram (kg) đã được sử dụng như một đơn vị đo khối lượng tiêu chuẩn kể từ cuộc cách mạng Pháp, căn cứ vào khối lượng chính xác của một tảng kim loại đang được cất giữ ở Paris. Tuy nhiên, kilogram có thể sắp được tạo cho một định nghĩa mới, chính xác hơn và lần đầu tiên sẽ không cần phải có tham chiếu đến một vật chất cụ thể.
Đơn vị Kilogam sẽ được định nghĩa lại
Các nhà khoa học chuyên nghiên cứu về khối lượng và các đơn vị đo đã phát triển một phương pháp mô tả kilogram bằng cách đo số lượng chính xác của các nguyên tử trong một mảnh silicon. Họ hy vọng, nó sẽ khắc phục được sự thay đổi dần dần về khối lượng của Vật mẫu kg quốc tế hiện đang được dùng như mốc tham chiếu cơ bản cho đơn vị đo lường trọng lượng khắp thế giới.
Kilogram hiện đang được xác định nhờ một vật mẫu hình trụ, có kích thước tương đương một quả bóng golf, cấu tạo gồm 90% bạch kim và 10% iridium, đang được lưu giữ ở Pháp. Theo thời gian, vật mẫu hình trụ, vốn cấu tạo gồm 90% bạch kim và 10% iridium, đã mất lượng nhỏ kim loại do sự xói mòn cũng như quá trình đóng gói và chuyên chở nó. Cân nặng của mẫu kg tiêu chuẩn đã giảm 0,0001g, tức là tương đương trọng lượng của một hạt bụi, trong thế kỷ qua, đồng nghĩa với việc nó sẽ trở nên kém chính xác hơn. Các nhà nghiên cứu hiện khám phá ra rằng, họ có thể tạo ra một cách xác định kilogram chính xác, đáng tin cậy và cũng không thay đổi thông qua sử dụng các đại lượng toán học.
Quả cân mẫu vật dùng cho định nghĩa của kilogram theo cách cũ.
Tại một hội nghị tổ chức tại Hội khoa học Hoàng gia ở London vào tháng 1/2011, các nhà nghiên cứu đã thảo luận các phương án thay thế một khoanh kim loại đã già nua đang đảm đương vai trò chuẩn kilogram của thế giới bằng một kilogram xây dựng trên một hằng số cơ bản. Khối lượng của nó đang thay đổi, và các nhà khoa học không biết nguyên do. Khối lượng của nó biến thiên đến 50 microgram so với các “bản sao cấp quốc gia” cấp về cho các phòng thí nghiệm đo lường trên khắp thế giới. Sự thay đổi khối lượng có thể là do sự thất thoát dần hydrogen bị giữ trong hợp kim khi tôi luyện khối trụ trên, hoặc có lẽ do việc sử dụng giấy bột mài và các chất lỏng lau chùi kém chất lượng để lau chùi nó trước đây, theo lời Terry Quinn, cựu lãnh đạo của Viện đo lường quốc tế – BIMP. “Có phải nguyên mẫu kilogram bị mất khối lượng không? Hay là các bản sao cấp quốc gia trở nên nặng hơn? Câu trả lời là chúng ta không biết rõ – chẳng có cái gì ổn định hơn để mà so sánh cả. Cho nên chúng ta cần một cái gì đó tốt hơn”, phát biểu của nhà vật lí BIMP Michael Stock.
Tiếp đó, vào tháng 10/2011, Hội nghị Toàn thể về Cân nặng và Đo lường ở Paris được kì vọng sẽ bắt đầu quá trình thay đổi định nghĩa của kilogram bằng một định nghĩa dựa trên các hằng số cơ bản như hằng số Avogadro, số lượng nguyên tử trong một mol, và hằng số Planck, hằng số liên hệ năng lượng của một photon hay một hạt với năng lượng của nó. Nếu mọi người có thể thống nhất các công nghệ để thực hiện công việc này, thì quá trình định nghĩa lại sẽ hoàn tất vào năm nay. Các đơn vị khác đã được định nghĩa lại theo những cách tương tự. Mét đã từng được định nghĩa là chiều dài của lát chu vi của Trái đất, nhưng nay nó được định nghĩa là quãng đường mà ánh sáng đi được trong một khoảng thời gian nhất định. Thêm vào đó, đơn vị đo thời gian giây, từng được định nghĩa là một phần nhỏ của một ngày, nay được định nghĩa là độ dài của một số chuyển tiếp chính xác trong nguyên tử caesium. Lúc đó, các nhà khoa học nắm trong tay hai phương án khác nhau. Một phương án định nghĩa kilogram là khối lượng của một con số nhất định của các nguyên tử silicon-28. Phương án thứ hai sử dụng một dụng cụ đo khối lượng gọi là “cân Watt” để định nghĩa kilogram theo điện áp và dòng điện.
Đối với phương án sử dụng nguyên tử silicon-28, một đội nghiên cứu đứng đầu là nhà đo lường học Peter Becker thuộc Học viện Các vấn đề Vật lí và Kĩ thuật tại Braunschweig, Đức, tiết lộ một sự đột phá trong một nỗ lực nhằm đo số nguyên tử trong một quả cầu silicon, từ đó cho phép họ tính ra hằng số Avogrado đến một độ chính xác chưa có tiền lệ. Trước tiên, họ sử dụng laser để quét qua một quả cầu silicon tinh khiết, từ đó đo thể tích của nó. Sau đó, họ sử dụng sự nhiễu xạ tia X để ước tính thể tích mà mỗi nguyên tử chiếm giữ. Điều đó sẽ đưa đến một số đếm chính xác của số lượng nguyên tử có trong quả cầu, nhưng không được vì tinh thể gốc silicon-28 có chưa một số lượng không nhỏ đồng vị silicon-29 và silicon-30. Sử dụng một kĩ thuật gọi là phổ khối pha loãng đồng vị, Becker và các đồng nghiệp đã vừa tạo ra một quả cầu trong đó các đồng vị không mong muốn Si-29 và Si-30 hầu như hoàn toàn không có mặt. Kết quả là họ đã tính ra hằng số Avogrado với độ sai số 3,0 x 10^-8. Becker phát biểu với tạp chí New Scientist rằng nếu họ có thể trau chuốt kĩ thuật của họ thêm chút ít, và giảm sai số đo xuống còn 2,0 x 10^-8, thì họ dám đặt cược cho một phương pháp đủ tốt để định nghĩa kilogram là khối lượng của một số nguyên tử silicon-28.
Trong khi đó, phương pháp cân Watt về cơ bản là một cái cân với kilogram nguyên mẫu ở một bên và một trường điện từ hút lên phía bên kia. Các dụng cụ điện tử cực nhạy, như tiếp xúc Josephson, có thể dùng để thăng bằng và tính ra chính xác dòng điện và điện áp cần thiết để cân bằng kilogram. Phương pháp trên sẽ định nghĩa kilogram theo hằng số Planck. Các viện đo lường trên khắp thế giới đang cố gắng hoàn thiện phương pháp cân Watt, nhưng mỗi thí nghiệm có mức độ sai số riêng cần phải khắc phục. Ủy ban Nghiên cứu Quốc gia Canada, chẳng hạn, vừa mới phát hiện ra một sai số hệ thống ở một cái cân do nước Anh cung cấp cần phải khắc phục.
So sánh định nghĩa cũ và mới của 1 số đơn vị đo lường.
Sau hơn 4 năm tranh cãi và nghiên cứu, tiến sĩ Giovanni Mana đến từ Viện nghiên cứu Hệ thống đo lường quốc gia Italia và các cộng sự đã phát triển định nghĩa mới bằng cách tính toán một hằng số toán học, gọi là số Avogadro – số lượng nguyên tử hoặc phân tử trong một thể tích vật chất nhất định. Con số mà họ tìm ra “lớn đến không với tới được” – 6,02214086 × 10^23, lớn hơn rất nhiều so với số lượng hạt cát trên Trái đất hoặc số ngôi sao trong vũ trụ. Nó cho phép số nguyên tử silicon trong 1kg được tính với độ chính xác trong phạm vi xấp xỉ 20 nguyên tử mỗi tỉ nguyên tử, thông qua định nghĩa nó có liên quan đến số Avogadro. Số này sau đó được gắn với một hằng số toán khác gọi là hằng số Planck, vốn được dùng để mô tả hành vi của các hạt lượng tử.
Định nghĩa mới, nếu được công nhận, có thể cho phép các nhà khoa học thay đổi cách họ xác định 1kg sau nhiều thập kỷ nghiên cứu. Được đề xuất lần đầu tiên năm 1795, kilogram ban đầu được xác định nhờ sử dụng trọng lượng của nước trong một khối lập phương có thể tích 10 centimet khối ở điểm tan chảy của nước. Năm 1799, cách xác định này được thay đổi, dựa vào một mảnh bạch kim, nhưng sau đó, kilogram được định nghĩa là khối lượng của một khối hình trụ 39,7mm cấu tạo gồm 90% bạch kim và 10% iridium.
Tất cả các cách tính toán kilogram khác hiện đều dựa vào khối kim loại có kích thước tương đương quả bóng golf này, vốn đang được lưu giữ tại Văn phòng các đơn vị đo trọng lượng và hệ thống đo quốc tế gần Paris. Theo tiến sĩ Mana, định nghĩa mới về kilogram rốt cuộc sẽ giải phóng các nhà khoa học khỏi việc phải sử dụng một vật thể nhất định nằm dưới sự quản lý của nhà chức trách pháp. Ông nhấn mạnh: “Trong khoa đo lường, điều quan trọng là đảm bảo tính độc lập và dân chủ, tránh sự độc tài của một quốc gia hoặc phòng thí nghiệm đơn lẻ”.
Kilogram hiện là đơn vị đo lường tiêu chuẩn duy nhất còn dựa vào một đồ tạo tác vật chất. Các đơn vị khác, chẳng hạn như mét và giây đã được định nghĩa mà không cần tham chiếu đến một đồ vật cụ thể. Chẳng hạn như, 1 mét ban đầu được định nghĩa vào năm 1793 là 1/10.000.000 khoảng cách từ xích đạo tới Cực Bắc, nhưng hiện nó được định nghĩa là 1/299792458 khoảng cách ánh sáng di chuyển trong một môi trường chân không trong 1 giây. Định nghĩa mới về kilogram hiện vẫn cần phải nhận được sự phê chuẩn của các nhà khoa học tại Hội nghị toàn thể về các số đo trọng lượng và hệ thống đo lường quốc tế diễn ra vào năm 2018, và các nhà khoa học còn nói vui nếu chúng ta cân thử trọng lượng của mình lúc này thì hãy tự trừ đi 60 microgram trên mỗi kilogram cơ thể để theo kịp định nghĩa mới.
