Một quả cầu silicon tương tự những quả cầu được sử dụng trong phép đo hằng số Avogadro. Ảnh: NIST
Nằm rải rác trong các cơ sở cách xa nhau tại Australia, Mỹ, Đức, Nhật Bản... là một bộ sưu tập gồm 7 quả cầu được đánh bóng kỹ càng và bảo vệ nghiêm ngặt. Đây là những quả cầu silicon của Dự án Avogadro Quốc tế. Chúng được chế tạo tại Tổ chức Nghiên cứu Khoa học và Công nghiệp Australia (CSIRO) với độ chính xác cực cao và được coi là những vật thể tròn nhất thế giới.
Bề mặt của chúng nhẵn đến mức nếu được phóng đại lên bằng Trái Đất, khoảng cách giữa ngọn núi cao nhất và đại dương sâu nhất sẽ chỉ là 3 - 5 m, theo Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST), một trong những tổ chức tham gia Dự án Avogadro Quốc tế. Các giao thoa kế quang học đã giúp giới nghiên cứu đo chiều rộng của quả cầu với độ chính xác đến từng nanomet. Mỗi quả cầu có giá khoảng 3,2 triệu USD, do thợ làm thấu kính lành nghề chế tạo thủ công.
Vậy mục đích chế tạo những quả cầu này là gì? Dự án Avogadro Quốc tế hướng đến sử dụng những quả cầu silicon hoàn hảo để xác định chính xác giá trị của hằng số Avogadro (một hằng số vật lý cơ bản), theo Bảo tàng Powerhouse, nơi lưu giữ một quả cầu nguyên mẫu từ năm 2016. Cụ thể, mục tiêu là xác định lại kilogram dựa vào hằng số Avogadro.
Quay trở lại thế kỷ 18, khi hệ mét ra đời, các định nghĩa đầu tiên đều dựa trên thế giới tự nhiên. Mét là một phần 10 triệu khoảng cách giữa Cực Bắc và xích đạo, đo theo đường thẳng đi qua Paris. Lít là thể tích của 1/1.000 m3 nước, đo tại điểm tan chảy của băng. Kilogram là khối lượng của lượng nước đó trong chân không.
Sau khi đưa ra những định nghĩa này, Viện Hàn lâm Khoa học Pháp bắt đầu chính thức hóa chúng. Năm 1799, họ sử dụng những vật thể vật lý để minh họa các đơn vị đo, trong đó có khối trụ nặng một kg gọi là Le Grand K hay Big K.
Khối Le Grand K được bảo quản tại Paris. Ảnh: BIPM
Sau một thời gian, những phép đo này trở nên phổ biến trên thế giới. Nhưng một vấn đề nghiêm trọng là chúng hoàn toàn dựa trên các vật thể vật lý. Chu vi Trái Đất có vẻ là một hằng số bất biến với những người thiết lập hệ thống này, nhưng thực chất nó liên tục thay đổi. Trên thực tế, hệ thống cũng sai lệch ngay từ đầu vì các nhà khoa học phụ trách tính toán chiều dài đã tính nhầm 0,2 mm và chưa ai hiệu chỉnh con số cuối cùng.
Vì điều này và một số lý do khác, vào thế kỷ 20, người ta bắt đầu ủng hộ việc định nghĩa lại các đơn vị theo những hằng số tự nhiên chính xác hơn. Trong đó, mol - đơn vị dùng để đo lượng chất - được ấn định là lượng chất của 6,02214076 x 1023 thực thể cơ bản, đây còn gọi là hằng số Avogadro.
Năm 2005, tại cuộc họp lần thứ 94 của Ủy ban Cân Đo Quốc tế, các chuyên gia đưa ra khuyến nghị rằng kilogram nên được định nghĩa lại theo một hằng số phổ quát. Ủy ban quyết định, lựa chọn tốt nhất là sử dụng hằng số Planck.
Nhưng một số nhà khoa học lại có ý tưởng khác. Vì định nghĩa hiện tại của hằng số Avogadro phụ thuộc vào khối lượng của một chất, họ cho rằng có thể khai thác mối quan hệ này theo cách ngược lại. Nhưng trước tiên, họ cần định nghĩa hằng số này với độ chính xác cao hơn - sai số tương đối sẽ chỉ là 20 phần tỷ - để định nghĩa kilogram mới dựa trên hằng số Avogadro có thể cạnh tranh về tính chính xác và độ tin cậy với tiêu chuẩn hiện tại.
Về cơ bản, kế hoạch là chế tạo vật thể từ một lượng chính xác của một chất đã biết rõ, sau đó định nghĩa kilogram theo đó. Vật thể này chính là những quả cầu silicon với nhiều lợi thế so với Big K. Dù các quả cầu silicon bị mất hay hư hỏng thì cũng không ảnh hưởng đến định nghĩa kilogram, vì kilogram được định nghĩa không phải bằng vật thể vật lý mà bằng khái niệm.
Khi định nghĩa của một đơn vị cơ sở chuẩn quốc tế phụ thuộc vào việc đếm số nguyên tử trong một vật thể, việc tính toán phải cực kỳ chính xác. Đó là lý do các quả cầu phải tròn như vậy. "Hình cầu được chọn là hình dạng lý tưởng vì không có góc hay cạnh (tránh sứt mẻ, mòn), và nếu chế tạo một quả cầu đủ hoàn hảo thì sẽ có thể tính thể tích từ một thông số duy nhất (đường kính)", Bảo tàng Powerhouse giải thích.
Trong khi đó, vật liệu silicon được chọn vì đã có những quy trình hoàn thiện để sản xuất và thao tác với silicon có độ tinh khiết cực cao. Silicon cũng mang đến nhiều thuận lợi cho các nhà khoa học: Họ đã biết khối lượng của đồng vị silicon-28 và các tham số không gian của mạng tinh thể cũng đã được chuẩn hóa, giúp tính toán số lượng nguyên tử trong quả cầu.
Dù Ủy ban Cân Đo Quốc tế đã chọn hằng số Planck làm cơ sở để định nghĩa lại kilogram, các hằng số tự nhiên khác cũng có thể được sử dụng, ít nhất là để giúp kiểm tra độ chính xác của định nghĩa theo hằng số Planck, theo NIST.
Thu Thảo (Theo IFL Science)
