Hỏi đáp về hệ đơn vị đo lường quốc tế
Ngay từ khi khởi nguồn, hệ mét đã có ý tưởng về những đơn vị đo dựa trên các đại lượng bất biến của tự nhiên. Sau hơn 200 năm, ngày nay chúng ta đang đạt đến điều này. Hiện nay đang có những kế hoạch định nghĩa lại kilogam, vốn vẫn được định nghĩa là khối lượng của một hình trụ bằng Pt - Ir đặt trong ngôi hầm của lâu đài tại Sevres, bằng cách ấn định trị số của hằng số Plank h; và định nghĩa lại ampe, kenvin và mol bằng cách ấn định trị số cho e, kvà N A. Còn với mét thì đã được ấn định bằng vận tốc ánh sáng và giây được ấn định bằng sự chuyển dịch vi ba của nguyên tử. Cuối cùng chúng ta sẽ đạt được cái mà các nhà bác học của thế kỷ 18 đã tìm kiếm.
Vậy có gì mới trong dự thảo hệ đơn vị đo lường quốc tế (SI)? Xin xem nội dung hỏi đáp sau đây.
Hỏi( H1): Trong hệ SI mới, bảy đại lượng và bảy đơn vị cơ bản của SI hiện nay sẽ có thay đổi không?
Đáp (Đ1): Không, bảy đại lượng và bảy đơn vị cơ bản cơ bản của SI hiện nay sẽ giữ nguyên không thay đổi.
H2: 22 đơn vị dẫn xuất nhất quán có tên riêng và ký hiệu của chúng sẽ có thay đổi không?
Đ2: Không, 22 đơn vị dẫ xuất nhất quán có tên riêng và ký hiệu của chúng sẽ giữ nguyên không thay đổi trong SI mới.
H3: Tên và ký hiệu của các tiếp ngữ (kilo cho 10 3, mili cho 10 -3,…) sẽ có thay đổi trong SI mới không?
Đ3: Không, tên và ký hiệu của các tiếp ngữ sẽ giữ nguyên không thay đổi.
H4: Sẽ có thay đổi lớn của bất kỳ đơn vị nào trong SI mới không?
Đ4: Không.
H5: Vậy cái gì sẽ thay đổi trong SI mới?
Đ5: Kilogam -kg, ampe-A, kenvin-K và mol-mol sẽ có định nghĩa mới, nhưng chúng sẽ được chọn sao cho tại thời điểm thay đổi thì độ lớn của các đơn vị mới sẽ giống như độ lớn của các đơn vị cũ.
H6: Vậy thay đổi những gì trong các định nghĩa mới?
Đ6: Những định nghĩa mới sẽ dựa trên những đại lượng bất biến thực của tự nhiên để mọi người, mọi nơi, ở mọi thời điểm đều có thể thực hiện được. Điều mà chất lượng của các định nghĩa hiện nay về kilogam, ampe, mol hoặc candela không thể thỏa mãn.
Những định nghĩa mới sẽ cải tiến độ chụm một cách đáng kể (tức là làm giảm độ không đảm bảo) cho các phép đo khối lượng, điện và nhiệt độ, cũng như giúp người sử dụng hệ SI hiểu rõ hơn về bản chất của đại lượng "lượng chất" và đơn vị "mol" của nó. Ví dụ khi cố định trị số của hvà etrong những đơn vị mới sẽ dẫn tới những giá trị đã biết một cách chính xác cho các hằng số Josephson và von Klitzing và kết quả là các phép đo điện trong SI sẽ chụm hơn nhiều.
H7: Còn về các định nghĩa của giây-s, mét-m và candela-d thì sao?
Đ7: Những định nghĩa về giây-s, mét-m và candela-cd sẽ không thay đổi, nhưng cách diễn đạt chúng sẽ được soát xét để chúng nhất quán với dạng thức của các định nghĩa mới về kilogam-kg, ampe-A, kenvin-K và mol-mol.
H8: Bạn có thể cố định giá trị của một hằng số cơ bản như hđể định nghĩa kilogam và hằng số eđể định nghĩa ampe v.v… như thế nào?
Đ8: Chúng ta không cố định hoặc thay đổi giá trị (value) của bất kỳ hằng số nào để chúng ta định nghĩa một đơn vị. Giá trị của các hằng số cơ bản là không đổi về bản chất, chúng ta chỉ cố định số trị (numerical value) của mỗi hằng số khi diễn đạt đơn vị của hệ SI mới . Bằng cách cố định số trị của nó chúng ta xác định được độ lớn của đơn vị mà chúng ta đo hằng số đó.
Ví dụ: nếu c là giá trị của vận tốc ánh sáng, { c} là số trị của nó, và [c] là đơn vị, sao cho
C = [c] = 299 792 458 m/s
Thì giá trị của c là tích của số lần đơn vị [c], và giá trị không bao giờ thay đổi. Tuy nhiên các thừa số và [c] có thể chọn theo những cách khác nhau để tích của chúng vẫn giữ nguyên không đổi.
Năm 1983, người ta đã cố định số chính xác bằng 299 792 458, sau đó đã xác định đơn vị vận tốc [c] = m/s. Vì giây, s, đã được xác định nên kết quả là xác định được mét, m. Số trong định nghĩa mới được chọn sao cho độ lớn của đơn vị không bị thay đổi, để đảm bảo tính liên tục giữa các đơn vị mới và các đơn vị cũ.
H9: Được, bạn thực sự chỉ cố định trị số của hằng số được diễn đạt trong đơn vị mới. Ví dụ với kilogam, bạn chọn cách cố định trị số của [h] của hằng số Plank được diễn đạt trong đơn vị mới [kg m 2s -1]. Nhưng vấn đề là: giả sử một thực nghiệm mới tiến hành sau khi thay đổi định nghĩa mà bạn chọn một trị số sai cho thì sau đó cái gì sẽ xảy ra?
Đ9: Sau khi tiến hành thay đổi, khối lượng của quả chuẩn kilogam quốc tế (IPK) mà nó định nghĩa kilogam hiện nay phải được xác định bằng thực nghiệm. Nếu chúng ta đã chọn một "giá trị sai" thì có nghĩa là thực nghiệm mới cho ta biết rằng khối lượng của IPK không chính xác bằng 1kg trong SI mới.
Mặc dầu tình huống này có vẻ có vấn đề, song nó chỉ tác động đến những phép đo khối lượng vĩ mô; khối lượng của các nguyên tử và giá trị của các hằng số khác liên quan đến vật lý lượng tử sẽ không bị tác động. Nhưng nếu chúng ta vẫn giữ định nghĩa hiện nay của kilogam, chúng ta sẽ tiếp tục việc làm mà không thỏa mãn khi dùng hằng số tham chiếu (tức là khối lượng của IPK) như bằng chứng nghiên cứu cho thấy có sự thay đổi theo thời gian so với một đại lượng bất biến như khối lượng của một nguyên tử hoặc hằng số Plank. Mặc dầu độ lớn của sự thay đổi này không biết được chính xác, nhưng có thẻ là hơn một phần của 10 7vì IPK được chấp thuận là định nghĩa của kilogam.
Ưu điểm của định nghĩa mới là ở chỗ chúng ta biết được hằng số tham chiếu dùng để định nghĩa kilogam là một đại lượng bất biến thực.
H10: Mỗi hằng số cơ bản dùng để định nghĩa một đơn vị có một độ không đảm bảo; giá trị của nó không biết được chính xác. Nhưng nó đã được đề xuất để cố định trị số chính xác của nó. Bạn có thể làm điều đó như thế nào? Cái gì đã xảy ra đối với độ không đảm bảo?
Đ10: Định nghĩa hiện nay của kilogam cố định khối lượng của IPK (mẫu chuẩn kilogam quốc tế) là một kilogam chính xác có độ không đảm bảo đo bằng zero, u r(m IPK)= 0. Hằng số Plank hiện nay được xác định bằng thực nghiệm và có độ không đảm bảo chuẩn tương đối là u r(h)= 5.10 -8.
Theo định nghĩa mới giá trị của h sẽ được biết chính xác theo đơn vị mới có độ không đảm bảo u r(h)= 0 Nhưng khối lượng của IPK phải được xác định bằng thực nghiệm và nó sẽ có một độ không đảm bảo tương đối khoảng u r(m IPK)= 5.10 -8. Như vậy độ không đảm bảo không mất đi trong định nghĩa mới, mà nó di chuyển thành độ không đảm bảo của tham chiếu trước đó mà nó không dùng nữa, như trong bảng dưới đây.
Hằng số được dùng để định nghĩa kilogam | Độ không đảm bảo trong SI hiện nay | Độ không đảm bảo trong SI mới |
Khối lượng của IPK, m(K) | 0 (chính xác) | Expt 5.10 -8 |
Hằng số Plank, h | Expt 5.10 -8 | 0 (chính xác) |
H11: Đơn vị của hằng số Plank bằng đơn vị của action tự nhiên, J s = kg m 2s -1. Cố định trị số của hằng số Plank để định nghĩa đơn vị kilogam như thế nào?
Đ11: Cố định giá trị của h, thực tế là xác định đơn vị của action tự nhiên, J s = kg m 2s -1. Nhưng nếu chúng ta xác định giây, s, bằng cách cố định trị số của tần số trượt ở mức siêu tinh tế của nguyên tử cesium#( 133Cs) hfs, và mét, m, bằng cách cố định trị số của vận tốc ánh sáng trong chân không, c, thì khi cố định độ lớn của đơn vị kg m 2s -1có sự tác động đến định nghĩa đơn vị kg.
H12: Những định nghĩa của các đơn vị cơ bản trong SI mới có phải là những định nghĩa luẩn quẩn không, và như vậy thì không thỏa mãn ư?
Đ12: Không, chúng không luẩn quẩn. Một định nghĩa luẩn quẩn là định nghĩa do sử dụng kết quả của định nghĩa để lập ra định nghĩa. Lời lẽ cho từng định nghĩa của các đơn vị cơ bản trong SI mới quy định số trị của mỗi hằng số tham chiếu đã được chọn để định nghãi đơn vị tương ứng, nhưng điều này không sử dụng kết quả để lập ra định nghĩa.
H13: Trong SI mới, hằng số tham chiếu cho kilogam là hằng số Plank h có đơn vị là J s = kg m 2s -1. Sẽ dễ hiểu hơn nhiều nếu như hằng số tham chiếu có đơn vị là khối lượng, kg Từ đó chúng ta có thể nói: "Kilogam là khối lượng của một ", như một số xác định của các nguyên tử cacbon hoặc silicon chẳng hạn. Như vậy không phải là một định nghĩa tốt hơn hay sao?
Đ13: Đây là vấn đề phán xét có tính chất chủ quan. Dù thế nào cũng phải chú ý rằng hằng số tham chiếu dùng để định nghĩa một đơn vị không phải có cùng thứ nguyên như đơn vị (mặc dầu nó có thể đơn giản hơn về khái niệm trong trường hợp này). Chúng ta đã dùng một vài hằng số tham chiếu trong SI hiện nay mà nó có đơn vị khác với chính đơn vị đã được định nghĩa đó.
Ví dụ: mét được định nghĩa bằng cách sử dụng hằng số tham chiếu là vận tốc ánh sáng có đơn vị là m/s, không phải là độ dài quy định theo m. Ampe được định nghĩa bằng cách sử dụng hằng số tham chiếu là hằng số từ ì 0, được biểu thị là H/m = m kg s -2A -2, không phải là dòng điện quy định là A. Những định nghĩa này không phải là không thỏa mãn.
Mặc dầu có vẻ đơn giản hơn khi định nghĩa kilogam bằng cách sử dụng một khối lượng làm hằng số tham chiếu, nhưng dùng hằng số Plank có các ưu điểm khác. Ví dụ như cả hvà eđược biết chính xác như đã đề xuất trong SI mới, thì cả hai hằng số Josephson và von Klitzing sẽ được biết chính xác, sẽ có những ưu điểm lớn cho đo lường điện.
H14: Chúng ta vẫn có thể kiểm tra tính nhất quán của vật lý nếu như chúng ta cố định giá trị của tất cả các hằng số cơ bản không?
Đ14: Chúng ta không cố định các giá trị của tất cả các hằng số cơ bản, mà chỉ cố định số trị của một bộ nhỏ và sự kết hợp của các hằng số trong bộ này. Điều này có tác động đến sự thay đổi định nghĩa của các đơn vị, nhưng không phải là các phương trình vật lý và nó không thể ngăn cản các nhà nghiên cứu kiểm tra tính nhất quán của các phương trình.
H15: Tôi có thể có được chuẩn khối lượng của tôi, hoặc nhiệt kế của tôi được hiệu chuẩn theo SI mới giống như cách tôi đang làm hiện nay không?
Đ15: Có, bạn sẽ gửi nó tới Viện đo lường quốc gia (VĐLQG) của bạn để hiệu chuẩn, giống như bạn đang làm hiện nay. VĐLQG của bạn sẽ thiết lập việc thực hiện đơn vị của mình theo định nghĩa mới, hoặc bằng cách xây dựng một thiệt bị cục bộ thích hợp, hoặc bằng bất kỳ phương pháp nào khác mà nó chứng tỏ là thuận tiện nư gửi tới BIPM để chuẩn.
