Đơn vị đo khối lượng Kilogram sẽ được định nghĩa lại vào năm 2018?

Cách tính một kilogram sẽ được thay đổi bằng cách sử dụng hằng số Planck.

• Kết luận gây chấn động: Ngoài 3 thể rắn, lỏng, khí nước còn còn có trạng thái thứ tư
• Các nhà vật lý tạo ra vật chất có "khối lượng âm"

Mới đây, viện Quy chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ - NIST đã tìm ra được giá trị chính xác nhất của hằng số Planck này. Điều này giúp Ủy ban Dữ liệu Khoa học và Công nghệ có thể đưa ra định nghĩa chính xác cho “một kilogram” vào năm 2018.

Nguyên mẫu Kilogram Quốc tế.

Cụ thể, NIST đưa ra giá trị hằng số Planck mới là 6.626069934 x 10^−34 kg∙m2/s, thay thế cho giá trị cũ là 6.62607004 x 10^−34 kg.m2/s.

Các nhà khoa học đã sử dụng cỗ máy “cân bằng Kibble - Kibble balance” để tính được giá trị mới của hằng số Planck với độ lệch chỉ 13/1.000.000.000, chính xác hơn con số lần trước với độ lệch 34/1.000.000.000.

Vậy hằng số Planck là gì?

Hằng số này được lấy tên từ nhà vật lý học người Đức Max Planck, người đã gieo mầm cho thuyết lượng tử khoảng một thế kỷ trước. Vật lý lượng tử thường được sử dụng để tính toán mức năng lượng của hạt và vật thể.

Max Planck - Nhà vật lý học người Đức.

Planck đã phát hiện ra việc chuyển giao năng lượng luôn đi theo một định lượng nhất định. Bằng việc đo đạc lượng bức xạ nhiệt phát ra khi những nguyên tử trong vật chất rung lên, ông xác định tần số của các sóng tạo ra bởi hiện tượng này sẽ là số lần của một hằng số được ông gọi là h. Ta có h, 2h hoặc 3h nhưng không bao giờ có nửa h – h chính là định lượng năng lượng nhất định ta đã nói ở trên.

Đơn vị h đó được đặt tên là hằng số Planck. Nếu đem hằng số Planck nhân với tần số của một sóng, ta có thể tìm ra năng lượng trong sóng ấy. Nhờ Einstein chúng ta biết rằng năng lượng và khối luôn đi kèm với nhau nên ta có thể lấy hằng số Planck để mô tả khối lượng của một vật thể.

Tính tới thời điểm này, chỉ có đơn vị kilogram là được xác định bằng một vật thể cụ thể. Đó là Nguyên mẫu Kilogram Quốc tế - International Prototype Kilogram (IPK) hay “Le Grand K”, một khối rắn hình trụ tròn đường kính 39 mm, cao 39 mm gồm 90% platinum và 10% iridi, nằm trong một két an toàn tại Pháp.

Trải qua thời gian dài, khối lượng của khối kilogram chuẩn này không còn chính xác như trước do nguyên tử có thể rơi ra mà cũng có thể thêm vào. Vì vậy, ta không thể sử dụng IPK làm số đo chuẩn cho một kilogram nữa.

Ngoài ra, còn một lý do khác đó là việc sử dụng IPK làm số đo chuẩn cho một kilogram đã quá lỗi thời rồi. Tất cả các đại lượng vật lý khác đều đã có những hằng số toán học để định nghĩa.

• Ampere sẽ được định nghĩa bằng điện tích cơ bản, tức là điện tích của electron và photon.
• Kelvin sẽ được định nghĩa bằng hằng số Boltzmann.
• Mole sẽ được định nghĩa bằng hằng số Avagadro.

Bản sao của IPK - Le Grand K.

Ta có thể lấy số nguyên tử cụ thể của một nguyên tố nào đó để đưa ra định nghĩa một kilogram thành quy chuẩn. Và đó chính là hằng số Planck.

Thiết bị cân bằng Kibble gồm một quả nặng đặt trên một giá đỡ gắn lõi dây điện được đặt trong một từ trường. Khi đưa điện vào lõi dây này, một dòng điện sẽ tạo ra một từ trường khác đẩy vào khối lượng của quả nặng kia. Các nhà khoa học sẽ sử dụng những phép toán dặc biệt để đo đạc dòng điện và đo đạc chuyển động của giá đỡ khi có và không có quả nặng để đưa ra hằng số Planck.

Thiết bị cân bằng Kibble.

Stephan Schlamminger, người đứng đầu nghiên cứu này cho biết, họ đã có tới 3 thử nghiệm với kết quả có độ lệch dưới 20 phần một tỷ, trong khi chỉ cần có ít nhất ba thử nghiệm với một có độ lệch dưới 50 phần một tỷ và một có độ lệch dưới 20 phần 1 tỷ để xác định được số chính xác

Các nhà khoa học tại NIST hy vọng rằng, với những con số mới hơn và chính xác hơn này, đĩnh nghĩa mới về 1 kilogram sẽ được cộng đồng xét duyệt và công nhận vào tháng 11 năm sau.