Một kilôgam là gì?

Một câu hỏi quá dễ đối với bà… bán thịt ngoài chợ, nhưng quá khó đối với nhà… vật lý học!

Không phải khó vì khái niệm phức tạp, mà khó là do định nghĩa vừa cụ thể vừa mơ hồ của nó. Định nghĩa của kilôgam rất độc đoán: "Kilôgam là đơn vị khối lượng. Nó bằng khối lượng nguyên mẫu quốc tế của kilôgam".

Biểu mẫu 1kg tại Pháp (Ảnh: physics.nist.gov)

Nguyên mẫu kilôgam ở Viện đo lường quốc tế là một khối trụ nhỏ bằng hợp kim của platin và iritium, được cất giữ như 1 kho vàng từ năm 1889 ở Paris, Pháp. Vào thời điểm đó, hợp kim này đã được chọn do tính bền vững của nó, thể hiện ở khả năng chống sự ăn mòn, axit, và do nó có tỷ trọng lớn nên khi đem cân nó bị ít lực đấy Acsimet của không khí tác động lên nhất.

Nó được đặt dưới 3 cái chuông bằng thuỷ tinh, được bảo vệ khỏi bị bụi bặm bám vào trong một tủ sắt có 3 khoá, do 3 vị lãnh đạo giữ. Hàng năm 3 vị này gặp nhau để "nhìn" cái nguyên mẫu kilôgam đó mà không hề đụng đến.

Thỉnh thoảng (50 năm 1 lần), nguyên mẫu được lấy ra để so sánh với "thứ mẫu" (mẫu phụ) sau khi đã được "tẩy trần" theo một thủ tục cầu kỳ, dùng da lạc đà tẩm vào một hỗn hợp rượu và ê-te thoa lên.

Mẫu kilôgam rất khó tái lập và khó phổ biến, vì không thể nào định nghĩa bằng "văn viết" 1 kilôgam là gì. Chỉ có thể nói nó là cái gì, đặt ở đâu. VD như định nghĩa cho 1 mét là: 1 mét là độ dài mà ánh sáng đi được trong chân không, trong khoảng thời gian là 1 phần 299792458 giây; còn giây thì được định nghĩa từ nguyên tử césium 133. Tất cả các phòng thí nghiệm trang bị tốt đều có thế tìm lại được những đơn vị cơ bản, cần thiết bằng cách dựa vào định nghĩa, trừ định nghĩa kilôgam.

Một vấn đề rất quan trọng là hiện nay kilôgam có xu hướng mất bớt khối lượng với thời gian do bị mòn đi. 10-3 với các đo lường thông thường là một sai số không đánh kể, nhưng với việc xác định một cách chính xác 1 đơn vị vật lý thì sai số đó quả là một vấn đề không thể bỏ qua.

Các nhà khoa học đang rất đau đầu về vấn đề này. Một cách tiếp cận mới đã được đưa ra, đó là cái cân Watt sử dụng sự so sánh lực điện từ với cơ học. Dự án nhằm liên kết kilôgam với một đại lượng bất biến: Hằng số Planck, hằng số cơ bản của thuyết lượng tử, biểu diễn cho quantum nhỏ nhất. Viện đo lường quốc gia Pháp cũng có 1 cái cân này, kiếu mới nhất đặt tại phòng thí nghiệm quốc gia ở Trappes.

Hiện nay cân Watt đang được đánh giá là cách giải quyết vấn đề hữu hiệu.

Mẫu kilôgam vẫn còn có thể yên chí ngôi vị của nó trong 3 cái chuông ở Sèvres. Nhưng có thể 15, 20 năm nữa người ta sẽ xếp nó vào viện bảo tàng của nền khoa học cận đại cũng nên.