Đơn vị Ki-lô-gam ra đời như thế nào?
1. Lần đầu tiền đơn vị Ki-lô-gam được định nghĩa
Vào cuối thế kỷ 18, Vua Louis XVI của Pháp đã ra lệnh thiết lập một hệ thống đo lường mới nhằm trấn áp nạn gian lận tràn lan dưới các hệ thống hiện hành. Pháp đã đề xuất hệ thống đo lường mà sau này trở thành hệ mét thập phân và đối với các phép đo khối lượng, họ đề xuất một đơn vị mới gọi là “grave”, được định nghĩa là khối lượng của một lít nước ở điểm đóng băng.
Hình 1: Nguyên mẫu “grave” năm 1793, một phiên bản sơ khai của Ki-lô-gam sau này. Mẫu vật này hiện thuộc sở hữu của bảo tàng NIST, từng là kho báu của cướp biển (Nguồn: NIST)
Đến Cách mạng Pháp, nền cộng hòa Pháp mới đã tiếp nhận ý tưởng về hệ mét với một vài thay đổi. Thay vì sử dụng đơn vị ” grave ” (đơn vị đo khối lượng cơ bản) , nền cộng hòa đã chọn một tiêu chuẩn mới – gramme hay “gram” trong tiếng Anh, có định nghĩa là khối lượng tuyệt đối của một xen-ti-mét khối nước ở bốn độ C.
Tuy nhiên, một vật thể nặng một gam làm bằng nước, có kích thước nhỏ gần bằng hạt đậu thì không thực tế để sử dụng thương mại. Vì vậy, thay vào đó họ chọn vật thể có kích thước khả dụng hơn, một vật thể bằng kim loại rắn nặng gấp nghìn lần một gam: một Ki-lô-gam.
Ngày 22 tháng 6 năm 1799, Pháp thông qua đơn vị đo khối lượng Ki-lô-gam. Một khối chuẩn có khối lượng một Ki-lô-gam được chế tạo từ bạch kim và đã trở thành tiêu chuẩn khối lượng ở Pháp trong gần một trăm năm.
2. Công ước mét năm 1875
Khi nền kinh tế toàn cầu phát triển trong những năm 1800, các vấn đề về đo lường khối lượng cũng trở nên phức tạp hơn. Mỗi quốc gia duy trì các tiêu chuẩn riêng của mình, thường không tương thích với tiêu chuẩn của các quốc gia khác.
Vào ngày 20 tháng 5 năm 1875, 17 quốc gia khác nhau đã ký Hiệp ước Mét (còn được gọi là Công ước Mét) để thiết lập các tiêu chuẩn quốc tế mới về khối lượng và chiều dài. Thỏa thuận này định nghĩa đơn vị khối lượng chính thức là một Ki-lô-gam và thể hiện nó trong một vật mẫu kim loại tiêu chuẩn được làm từ hợp kim bạch kim (90%) và iridi (10%) và được gọi là Nguyên mẫu Ki-lô-gam quốc tế (IPK). Nó có khối lượng bằng khối lượng của một Đề-xi-mét khối nước dưới áp suất khí quyển và ở nhiệt độ xấp xỉ 4 độ C.
Năm 1960, tại cuộc họp lần thứ 11 của Hội nghị toàn thể về Cân đo (CGPM), hệ thống các đơn vị đã thiết lập và cho ra đời Hệ đo lường quốc tế (SI). Sau năm 1960, Ki-lô-gam là đơn vị SI duy nhất vẫn được định nghĩa dựa trên một vật thể nhân tạo duy nhất. Vì vậy, để đảm bảo độ chính xác của các phép đo khối lượng và trọng lượng, về mặt lý thuyết, tất cả các khối lượng chuẩn được sử dụng trong tất cả các phép đo trên toàn cầu đều phải được so sánh trực tiếp với IPK, được lưu giữ bởi Cục Đo lường Quốc tế (BIPM) tại Sèvres, Pháp.
Hình 2: Nguyên mẫu Ki-lô-gam quốc tế (Nguồn: BIPM)
Điều đó dĩ nhiên là không thể, trên thực tế, nhiều quốc gia lưu giữ một hoặc nhiều chuẩn một Ki-lô-gam chính tại các phòng thí nghiệm khoa học đo lường chính của họ, được gọi là viện đo lường quốc gia. Những chuẩn được điều chỉnh định kỳ hay còn gọi là “hiệu chuẩn” so với IPK. Các chuẩn quốc gia chính sau đó được sử dụng để hiệu chuẩn các chuẩn có cấp thấp hơn.
Bằng cách này, chuẩn Ki-lô-gam được phổ biến khắp cả nước thông qua việc truyền chuẩn cẩn thận, bắt nguồn từ tiêu chuẩn quốc gia ban đầu và cuối cùng là từ IPK.
3. Bước ngoặt định nghĩa lại đơn vị Ki-lô-gam
Sau nhiều thập kỷ tranh luận và nghiên cứu, cộng đồng đo lường quốc tế đã chọn định nghĩa đơn vị kilogram qua hằng số Planck (h) – một đại lượng cơ bản không đổi trong tự nhiên bằng cách sử dụng các thiết bị đo lượng điện tử rất chính xác như cân Kibble.
Hình 3: Cân NIST-4 Kibble (Nguồn: NIST)
Ngày 16 tháng 11 năm 2018, Hội nghị toàn thể về Cân đo (CGPM) tổ chức tại Versailles đã tiến hành bỏ phiếu thông qua việc bãi bỏ định nghĩa Ki – lô – gam cũ và chào đón định nghĩa đại lượng kilogram mới. Các nhà khoa học đề xuất xác định khái niệm “một Ki – lô – gam” thông qua hằng số Planck (h). Việc bỏ phiếu được thông qua và định nghĩa mới đã chính thức được áp dụng vào ngày 20 tháng 5 năm 2019. Đánh dấu lần đầu tiên đơn vị Ki – lô- gam được định nghĩa bằng một hằng số tự nhiên. Điều này có tầm ảnh hưởng sâu rộng hơn bất kỳ sự chuyển đổi nào trong lịch sử đo lường khi Ki – lô- gam đã trở thành một đại lượng ổn định hơn và không phụ thuộc vào một vật thể cụ thể, liên hệ khối lượng với các định luật cơ bản của vật lý lượng tử và thuyết tương đối.
(Trung tâm Nghiên cứu Kiểm định Hiệu chuẩn Đo lường)
