Một khối kim loại từng quyết định thế nào là 1 kg — nay cả thế giới dựa vào hằng số tự nhiên

Vì sao một kilôgam ở Seoul phải bằng một kilôgam ở Paris?

Hãy tưởng tượng bạn mua một túi gạo ghi khối lượng 1 kg ở Seoul, rồi mua một túi khác cũng ghi 1 kg tại Paris. Hai chiếc cân có thể được sản xuất bởi hai công ty khác nhau, ở hai thời điểm khác nhau, và chưa bao giờ được đặt cạnh nhau để so sánh. Thế nhưng, người mua và người bán vẫn tin rằng chúng đang dùng cùng một đơn vị.

Niềm tin ấy không chỉ giúp người mua yên tâm khi đi chợ. Nó còn quan trọng với vàng, dược phẩm, hóa chất và vật liệu bán dẫn, nơi một sai lệch nhỏ trong khối lượng có thể ảnh hưởng đến giá trị giao dịch, liều lượng thuốc hoặc chất lượng sản phẩm. Một kilôgam thống nhất là nền tảng để mọi người có thể trao đổi hàng hóa mà không phải tranh cãi xem cân của ai đúng.

Giá cả có thể được thương lượng, nhưng lượng hàng cần được đo bằng cùng một chuẩn. Nếu không, ngay cả hợp đồng mua bán cũng mất đi cơ sở để xác định hai bên đã trao đổi bao nhiêu.

Thời kỳ mỗi vùng dùng một chiếc thước riêng

Con người không phải lúc nào cũng có những đơn vị chung. Trong phần lớn lịch sử, người ta thường dựa vào cơ thể và đồ vật quen thuộc để đo: chiều dài ngón tay, bàn chân, sải tay, hoặc lượng ngũ cốc chứa trong một chiếc bát. Cách đo này khá tiện trong một cộng đồng nhỏ, nhưng không đáng tin khi giao thương với nơi khác.

Một đơn vị mang cùng tên vẫn có thể có kích thước khác nhau giữa các thành phố. Người bán có thể nói mình giao một lượng nhất định, trong khi chiếc cân hoặc đồ đong của người mua lại dựa trên một chuẩn khác. Khi thương mại vượt khỏi phạm vi làng xóm và kéo dài qua biên giới, những khác biệt ấy tạo ra nhầm lẫn, tranh chấp và chi phí.

Từ ý tưởng của nước Pháp đến một chuẩn quốc tế

Cuối thế kỷ 18, trong thời kỳ Cách mạng Pháp, một ý tưởng mới được thúc đẩy: thay vì lấy chiều dài cơ thể của một vị vua hay quả cân riêng của một thành phố làm chuẩn, hãy xây dựng đơn vị dựa trên một quy tắc có thể dùng rộng rãi. Hệ mét ra đời từ nỗ lực ấy, với tham vọng tạo ra các đơn vị rõ ràng và có thể chia nhỏ theo hệ thống thập phân.

Việc dùng tự nhiên làm chuẩn nghe có vẻ đơn giản, nhưng nước không phải một vật liệu dễ cố định khối lượng trong mọi điều kiện. Mật độ của nước thay đổi theo nhiệt độ, nên muốn dùng nước để định nghĩa một kilôgam phải kiểm soát chính xác nhiệt độ và cách đo. Cuối cùng, năm 1799, Pháp chế tạo một vật mẫu bằng platinum được gọi là kilôgam lưu trữ, để giữ lại chuẩn khối lượng.

Thương mại và công nghiệp quốc tế tiếp tục phát triển, khiến nhu cầu về một hệ thống chung ngày càng cấp thiết. Năm 1875, nhiều quốc gia ký Công ước Mét, một thỏa thuận quốc tế nhằm thống nhất các đơn vị đo. Đến năm 1889, một vật mẫu mới được chọn làm chuẩn khối lượng quốc tế: một khối trụ nhỏ làm từ 90% platinum và 10% iridium, cao và rộng khoảng 39 mm.

Khối trụ nhỏ trong căn phòng an toàn ở Pháp

Khối trụ ấy được gọi là Mẫu Kilôgam Quốc tế và được bảo quản tại Cục Cân đo Quốc tế, gần Paris. Trong thời gian dài, khối lượng của vật mẫu này chính là định nghĩa của một kilôgam. Nói cách khác, nó không được gọi là 1 kg vì một phép đo độc lập cho thấy nó có khối lượng đúng bằng 1 kg; ngược lại, người ta quy ước rằng khối lượng của nó là 1 kg.

Từ vật mẫu quốc tế, các quốc gia tạo ra những quả cân chuẩn của riêng mình. Các chuẩn quốc gia lại được dùng để kiểm tra và hiệu chuẩn những quả cân tiếp theo, rồi đến cân trong nhà máy, phòng thí nghiệm, cửa hàng và bệnh viện. Hiệu chuẩn nghĩa là so sánh một thiết bị với chuẩn đáng tin cậy để xác định thiết bị đó đo đúng đến đâu, và có thể điều chỉnh nếu cần.

Một chiếc cân ở cửa hàng nối với chuẩn thế giới ra sao?

Chiếc cân ở chợ không cần được mang đến Paris để đối chiếu với khối trụ quốc tế. Thay vào đó, phép đo đi qua nhiều cấp: từ chuẩn quốc tế đến chuẩn quốc gia, rồi đến những quả cân và thiết bị được dùng trong ngành sản xuất hoặc dịch vụ. Chuỗi liên kết này được gọi là khả năng truy xuất đo lường: có thể lần ngược kết quả đo của một thiết bị về một chuẩn đã được công nhận.

Có thể hình dung điều đó như việc kiểm tra đồng hồ. Một người chỉnh đồng hồ theo giờ chuẩn, người khác so đồng hồ của mình với chiếc đồng hồ ấy, rồi nhiều thiết bị khác lại được kiểm tra theo cách tương tự. Nếu mỗi bước được thực hiện đúng, chiếc cân của cửa hàng có thể liên hệ với một hệ thống đo lường chung, dù nó chưa từng tiếp xúc trực tiếp với vật mẫu quốc tế.

Vấn đề: chính vật mẫu chuẩn cũng có thể thay đổi

Các nhà khoa học nhận ra rằng khối trụ quốc tế và những bản sao của nó không còn trùng khớp hoàn toàn khi được so sánh bằng thiết bị chính xác. Chênh lệch chỉ vào khoảng vài chục microgam, tức nhỏ hơn rất nhiều so với lượng mà một người có thể nhận thấy khi mua thực phẩm. Nhưng trong đo lường khoa học, điều quan trọng không chỉ là chênh lệch lớn hay nhỏ.

Khó khăn nằm ở chỗ không thể biết chắc vật nào đã thay đổi. Khối trụ gốc có thể nhẹ đi, một bản sao có thể nặng lên, hoặc tất cả cùng thay đổi theo những cách khác nhau. Bụi bám trên bề mặt, quá trình vệ sinh hay những biến đổi cực nhỏ của vật liệu đều có thể tác động đến khối lượng.

Nếu chiếc thước cuối cùng dùng để kiểm tra mọi chiếc thước khác cũng có thể dài ra hoặc ngắn đi, ta cần một chuẩn khác để nhận biết điều đó. Nhưng nếu chuẩn thứ hai lại được kiểm tra bằng chiếc thước đầu tiên, vòng lặp vẫn chưa được giải quyết.

Một vật thể hữu hạn có thể bị ảnh hưởng bởi môi trường, dù được chế tạo cẩn thận và cất giữ trong điều kiện nghiêm ngặt. Vì vậy, việc đặt toàn bộ định nghĩa của một đơn vị vào một vật duy nhất tạo ra điểm yếu: nếu vật ấy thay đổi, định nghĩa không có cách độc lập để xác nhận điều gì đã xảy ra.

Từ vật thể trong hầm đến hằng số của tự nhiên

Năm 2018, Hội nghị Cân đo Quốc tế thông qua định nghĩa mới cho kilôgam. Định nghĩa này có hiệu lực từ ngày 20 tháng 5 năm 2019. Kể từ đó, kilôgam không còn được xác định bằng khối lượng của khối trụ kim loại ở Pháp, mà dựa trên một giá trị cố định của hằng số Planck.

Hằng số Planck là một đại lượng cơ bản trong vật lý lượng tử, lĩnh vực nghiên cứu hành vi của vật chất và năng lượng ở quy mô rất nhỏ. Nó liên hệ năng lượng của ánh sáng với tần số của ánh sáng theo công thức E = hν. Giá trị của hằng số này được cố định chính xác ở mức 6,62607015 × 10⁻³⁴ joule giây.

Con số đó rất nhỏ và không cần ghi nhớ để hiểu ý nghĩa của thay đổi. Điều quan trọng là các nhà khoa học đã chọn một giá trị cố định, chính xác của một quy luật tự nhiên để làm điểm tựa cho đơn vị khối lượng. Thay vì nói “vật mẫu này chính là 1 kg”, định nghĩa mới cho phép các phòng thí nghiệm sử dụng các phép đo vật lý để tạo lại chuẩn 1 kg.

Tự nhiên không thay đổi định luật chỉ vì ta chuyển từ Paris đến Seoul. Điều đó giúp chuẩn đo lường không còn phụ thuộc vào tình trạng của một khối kim loại duy nhất. Tuy nhiên, để thực hiện phép đo chính xác, các phòng thí nghiệm vẫn cần thiết bị phức tạp, môi trường được kiểm soát và đội ngũ chuyên môn.

Cân Kibble: nối khối lượng với điện và các phép đo chính xác

Một thiết bị quan trọng để hiện thực hóa định nghĩa mới là cân Kibble. Có thể hiểu đơn giản rằng thiết bị này liên hệ khối lượng của một vật với các phép đo điện từ rất chính xác. Trong quá trình đo, lực hấp dẫn kéo vật xuống được so sánh với lực điện từ có thể tạo ra để giữ hoặc nâng vật.

Điểm then chốt là những đại lượng điện được đo bằng các phương pháp lượng tử, vốn liên hệ với hằng số Planck. Khi các phép đo được thực hiện chính xác, nhà khoa học có thể suy ra khối lượng tương ứng thay vì chỉ đặt một quả cân lên bàn và tuyên bố rằng nó là chuẩn cuối cùng. Đây không phải loại cân có thể đặt trên quầy siêu thị, mà là thiết bị chuyên dụng phục vụ các viện đo lường quốc gia.

Một cách hình dung khác là cân Kibble biến bài toán “vật này nặng bao nhiêu?” thành một phép so sánh giữa cơ học và điện học. Khối lượng, trọng lực, vận tốc và tín hiệu điện được kết nối bằng những quan hệ vật lý đã biết. Nhờ vậy, một phòng thí nghiệm đủ năng lực có thể tạo lại chuẩn khối lượng mà không cần sở hữu khối trụ gốc.

Vì sao chuẩn mới quan trọng với đời sống và nền kinh tế?

Việc thay đổi định nghĩa không làm cho túi gạo trong siêu thị tự nhiên nặng hơn hay nhẹ đi. Người tiêu dùng vẫn đọc nhãn 1 kg như trước. Lợi ích nằm ở nền tảng phía sau: các phép đo có thể được kiểm tra bằng quy luật tự nhiên và thiết bị hiện đại, giúp giảm sự lệ thuộc vào một vật mẫu duy nhất.

Điều này đặc biệt hữu ích trong những lĩnh vực mà sai số nhỏ có thể gây hậu quả lớn. Ví dụ, dược sĩ cần cân chính xác thành phần để pha thuốc; nhà sản xuất chất bán dẫn cần kiểm soát vật liệu ở mức rất nhỏ; còn giao dịch vàng cần một chuẩn khối lượng đáng tin để người mua và người bán cùng chấp nhận kết quả.

Chuẩn chung cũng giúp các nhà máy và doanh nghiệp ở nhiều nước phối hợp với nhau. Một bộ phận được sản xuất ở quốc gia này có thể lắp vào thiết bị chế tạo ở quốc gia khác nếu kích thước và các thông số được đo theo chuẩn thống nhất. Điều tương tự xảy ra với container vận chuyển, linh kiện máy móc và các sản phẩm cần kiểm tra chất lượng xuyên biên giới.

• Trong y tế: đo lường chính xác giúp kiểm soát lượng hoạt chất trong thuốc và các mẫu xét nghiệm.
• Trong công nghiệp: nhà sản xuất có thể kiểm tra vật liệu, linh kiện và sản phẩm theo cùng một cơ sở.
• Trong thương mại: người mua và người bán có thể xác định lượng hàng mà không phải dựa vào những chiếc cân không thể đối chiếu với nhau.
• Trong nghiên cứu: các phòng thí nghiệm ở nhiều quốc gia có thể so sánh kết quả mà không bị giới hạn bởi một vật mẫu duy nhất.

Chuẩn đo lường không phải là một quy định khô khan chỉ dành cho phòng thí nghiệm. Nó giúp những người không quen biết nhau vẫn có thể tin vào cùng một con số khi sản xuất, mua bán và kiểm tra hàng hóa.

Hàn Quốc tham gia vào hệ thống đo lường ra sao?

Hàn Quốc cũng xây dựng năng lực đo lường quốc gia để duy trì sự liên kết với chuẩn quốc tế. Viện Nghiên cứu Tiêu chuẩn và Khoa học Hàn Quốc phát triển cân Kibble và tham gia các phép so sánh đo lường quốc tế. Những hoạt động này giúp kiểm tra xem các phép đo trong nước có phù hợp với hệ thống chung hay không.

Khi một chiếc cân công nghiệp được kiểm tra, kết quả của nó có thể được nối với các chuẩn quốc gia thông qua nhiều bước hiệu chuẩn. Điều đó không có nghĩa là mọi chiếc cân trong cửa hàng đều được nối trực tiếp với cân Kibble. Thay vào đó, hệ thống hoạt động theo từng cấp, với các thiết bị trung gian được so sánh và kiểm tra để bảo đảm kết quả có thể truy nguyên.

Việc sở hữu chuyên môn và thiết bị đo lường chính xác cũng có ý nghĩa kinh tế. Nếu một quốc gia có thể duy trì chuẩn của mình và chứng minh chuẩn đó tương đương với chuẩn quốc tế, doanh nghiệp trong nước có thêm cơ sở để kiểm tra sản phẩm và giao dịch với đối tác ở nước ngoài. Điều này hỗ trợ những ngành đòi hỏi độ chính xác cao, từ dược phẩm đến điện tử và vật liệu mới.

Một đơn vị chung được xây dựng qua nhiều thế hệ

Ngày nay, thật dễ xem 1 kg là một con số hiển nhiên trên bao bì. Nhưng sự thống nhất ấy là kết quả của nhiều thế kỷ thử nghiệm: từ những cách đo dựa trên cơ thể, đến hệ mét, rồi một khối trụ kim loại được bảo quản nghiêm ngặt, và cuối cùng là định nghĩa dựa trên hằng số tự nhiên.

Thay đổi năm 2019 không làm cho mọi phép đo tự động hoàn hảo. Thiết bị vẫn có thể sai, con người vẫn có thể thao tác không đúng, và phòng thí nghiệm vẫn phải chứng minh rằng phép đo của mình đáng tin cậy. Điểm khác biệt là định nghĩa kilôgam hiện dựa trên một cơ sở có thể được tái tạo và kiểm tra ở nhiều nơi, thay vì gắn với sự ổn định lâu dài của một vật thể đơn lẻ.

Khi bạn mua 1 kg gạo ở Seoul và người khác mua 1 kg gạo ở Paris, hai lượng hàng ấy bằng nhau không phải vì tự nhiên tự sắp xếp các cửa hàng theo cùng một chiếc cân. Chúng bằng nhau nhờ con người đã xây dựng chuẩn chung, thiết bị đo, quy trình hiệu chuẩn và sự hợp tác quốc tế để duy trì chuẩn đó.

Giá của một món hàng có thể thay đổi theo thị trường, nhưng lượng hàng cần được đo theo cùng một đơn vị. Thị trường không chỉ vận hành bằng tiền; nó còn cần niềm tin rằng những con số trên cân có cùng ý nghĩa ở mọi nơi.