Phương pháp thay thế quả cân bạch kim một kilogram chuẩn

Những bất tiện trong việc sử dụng quả cân mẫu chuẩn quốc tế một kilogram IPK buộc các nhà khoa học phải tìm cách khác dễ đo lường hơn.

Theo Business Insider, quả cân IPK có dạng hình trụ, cao 3,81cm, làm bằng bạch kim. Hiện nay, nó đang được đặt trong ba lồng thủy tinh kín đồng tâm lồng vào nhau, trong một căn hầm bên ngoài Paris để tránh bụi và những thứ khác có thể làm sai lệch khối lượng.

Mọi loại cân trên thế giới, kể cả đo theo đơn vị pound, đều phải dựa theo quả cân chuẩn này, dưới sự ủy quyền của Hội nghị toàn thể về cân đo (CGPM). Tuy nhiên, điều này có thể phải thay đổi.

"Vấn đề với quả cân ở Paris là nó quá quý giá nên mọi người không muốn sử dụng", Stephan Schlamminger, một nhà vật lý làm việc tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Mỹ ở Maryland, cho biết. Ngay cả việc cầm nó bằng ngón tay cũng sẽ để lại dầu làm thay đổi trọng lượng dù rất nhỏ. Nó rất hiếm khi được bỏ ra ngoài và không bao giờ được đưa tới địa điểm khác.

Những người quan tâm tới độ chính xác của khối lượng một kilogram, như các nhà hóa học và vật lý, thường sử dụng một bản sao của IPK để hiệu chỉnh thiết bị đo lường của họ. Vấn đề ở đây là khối lượng của các bản sao cũng khác nhau khi so sánh.

Quả cân mẫu chuẩn một kilogram làm bằng bạch kim đặt tại Paris, Pháp. (Ảnh: BIPM).

Đây là lý do vào năm 2005, Ủy ban Quốc tế về cân đo đề nghị phải tìm ra cách khác để xác định khối lượng một kilogram, không gắn với một đối tượng vật lý cụ thể mà với các đặc tính cơ bản của tự nhiên để có thể dễ dàng nhân rộng trong các phòng thí nghiệm khắp thế giới.

Sau một vài lần trì hoãn, cộng đồng quốc tế các nhà đo lường học đã quyết định dùng lý thuyết toán học để định nghĩa lại một kilogram. Họ sử dụng hằng số Planck, một đại lượng kết nối tần số dao động dưới dạng sóng của một hạt với năng lượng của nó. Sử dụng phương trình nổi tiếng của Albert Einstein, E=mc2, các nhà khoa học có thể chuyển đổi năng lượng này thành khối lượng. Nói cách khác, từ mối quan hệ toán học giữa tần số hạt và trọng lượng, họ có thể định nghĩa khối lượng thông qua tần số hạt, thay vì một vật cụ thể.

Tuy nhiên, đây mới chỉ là lý thuyết. Do hằng số Planck rất nhỏ và chưa có một giá trị chính xác nên việc hoàn thành tính toán nói trên cần rất nhiều thời gian. Trên thực tế, các nhà khoa học không hy vọng có thể hoàn thiện cách tính trước năm 2018.

Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Mỹ đã thiết kế một thế hệ máy móc đặc biệt để đo giá trị hằng số Planck. Giống như nhiều giá trị trong vật lý lượng tử và thuyết tương đối, hằng số Planck được đo bằng độ bất định.

Chiếc máy mới nhất tới nay, NIST-4, đã thu thập được những dữ liệu đầu tiên. Các dữ liệu này có thể tính toán giá trị của một độ bất định 34 phần tỷ, theo một bài báo đăng tải trong ấn phẩm tháng 6/2016 của tạp chí khoa học Review of Scientific Instruments. Giá trị này ngang bằng với độ chính xác của các nhóm nghiên cứu khác. Họ hy vọng rằng sau khi tinh chỉnh lại quy trình thí nghiệm, có thể giảm con số này xuống 20 phần tỷ.

Trên toàn cầu, các nhà khoa học cũng đang cố gắng tinh chỉnh phép đo hằng số này. Một nhóm nghiên cứu thuộc Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia ở Canada đưa ra con số 19 phần tỷ bằng phương pháp tương tự nhóm ở Maryland. Kết quả từ các nhóm nghiên cứu khác sẽ dần được công bố trong những tháng tới.

Sau khi tất cả các nhóm nghiên cứu nộp kết quả đánh giá của mình về hằng số Planck, một chương trình máy tính sẽ sử dụng các số liệu này và một chương trình thống kê phức tạp để đưa ra con số tốt nhất. Giá trị này sẽ được sử dụng để định nghĩa lại chính xác về một kilogram. Ngoài đơn vị đo khối lượng, hơn 20 đơn vị đo lường khác cũng cần được định nghĩa lại theo, bao gồm áp suất, từ tính và điện tích - những đơn vị dựa trên kilogram.