HỎI ĐÁP VỀ SI SỬA ĐỔI

Q1 : Bảy đại lượng và đơn vị cơ bản trong SI hiện hành sẽ thay đổi trong SI sửa đổi ?

A1 : Không, bảy đại lượng và đơn vị cơ bản vẫn giữ nguyên  không thay đổi.

Q2 : 22 đơn vị dẫn xuất nhất quán hiện hành với tên và ký hiệu riêng sẽ thay đổi trong SI sửa đổi ?

A2 : Không, 22 đơn vị dẫn xuất nhất quán hiện hành với tên và ký hiệu riêng giữ nguyên không thay đổi.

Q3 : Tên và ký hiệu các tiếp đầu ngữ ước bội sẽ thay đổi trong SI sửa đổi ?

A3 :  Không, tên và ký hiệu các tiếp đầu ngữ sẽ giữ nguyên, không thay đổi.

Q4 : Độ lớn của mọi đơn vị sẽ thay đổi trong SI sửa đổi ?

A4 : Không. Độ lớn của mọi đơn vị sẽ giữ nguyên, không thay đổi.

Q5 : Vậy trong bối cảnh đó điều gì sẽ thay đổi ?

A5 : Kilôgam, kg, ampe, A, kelvin, K, và mole, mol, sẽ có định nghĩa mới. Nhưng các định nghĩa sẽ được chọn lựa sao cho để tại thời điểm thay đổi độ lớn của đơn vị mới sẽ giống hệt đơn vị cũ.

Q6 : Vậy những thay đổi ở các định nghĩa mới là gì ?

A6 : Việc xác định kilôgam theo các hằng số vật lý cơ bản sẽ đảm bảo độ ổn định dài hạn của kilôgam, và từ đó đảm bảo độ tin cậy của nó, điều mà hiện tại đang bị nghi ngờ. Định nghĩa mới của ampe và kelvin sẽ cải thiện đáng kể độ chính xác của các phép đo khối lượng, điện và nhiệt độ bức xạ. Tác động đến phép đo điện sẽ là tức thời : các phép đo điện chính xác nhất luôn luôn được thực hiện bằng cách sử dụng hiệu ứng Josephson và hiệu ứng lượng tử Hall. Việc cố định trị số h và e trong định nghĩa mới của đơn vị sẽ dẫn đến các giá trị được biết một cách chính xác của hằng số Josephson và von Klitzing. Điều này sẽ loại bỏ nhu cầu hiện hành về việc sử dụng các đơn vị điện quy ước hơn là các đơn vị SI để thể hiện kết quả phép đo điện. Hệ số chuyển đổi giữa nhiệt độ bức xạ đo được và nhiệt độ nhiệt động lực (hằng số Stefan-Boltzmann) sẽ chính xác bằng cách sử dụng định nghĩa mới của kelvin và kilôgam dẫn đến việc đo nhiệt độ được tốt hơn khi cải tiến công nghệ. Định nghỉa sửa đổi của mole đơn giản hơn định nghĩa hiện hành, sẽ giúp người sử dụng hiểu sâu sắc hơn bản chất của đại lượng “lượng chất” và đơn vị đo “lượng chất” mole.

Q7 : Còn về định nghĩa của giây, s, mét, m, và candela, cd thì sao ?

A7 :  Định nghĩa của giây, s, mét, m, và candela, cd sẽ không thay đổi. Nhưng cách thể hiện sẽ được sửa đổi để làm cho chúng phù hợp về mặt hình thức với các định nghĩa mới của kilôgam, kg, ampe, A, kelvin, K, và mole, mol.

Q8 : Bạn có thể cố định giá trị của một hằng số cơ bản như h để định nghĩa kilôgam, và e để định nghĩa ampe như thế nào và v.v… ? Bạn biết gì về giá trị để cố định chúng ? Cái gì xuất hiện nếu bạn chọn giá trị sai ?

A8 : Chúng ta không cố định hoặc thay đổi giá trị của bất cứ hằng số nào mà chúng ta sử dụng để định nghĩa đơn vị. Giá trị của các hằng số cơ bản là không thay đổi về bản chất. Chúng ta chỉ cố định trị số của từng hằng số khi thể hiện theo đơn vị SI của nó. Bằng cách cố định trị số của nó chúng ta xác định độ lớn của đơn vị mà chúng ta dùng để đo hằng số đó.

Ví dụ : Nếu c là giá trị của vận tốc ánh sáng, {c} là trị số , và [c] là đơn vị, thì :

                                     c = {c}[c] = 299 792 458 m/s

như vậy giá trị c là tích của số {c} nhân với đơn vị [c], và giá trị không bao giờ thay đổi. Tuy nhiên các thừa số {c} và [c] có thể chọn theo những cách khác nhau để cho tích c giữ không đổi.

Năm 1983 đã quyết định cố định số {c} chính xác là 299 792 458 , từ đó xác định đơn vị vận tốc [c] = m/s. Vì giây, s, đã được xác định, kết quả là xác định được mét, m. Số {c} trong định nghĩa mới đã được chọn để độ lớn của đơn vị m/s không thay đổi, do đó đảm bảo tính liên tục giữa định nghĩa mới và cũ của đơn vị. 

Q9 :  Bạn chỉ thực sự cố định trị số của hằng số được thể hiện theo đơn vị của nó. Ví dụ, đối với kilôgam, bạn chọn cố định trị số {h} của hằng số Plank thể hiện theo đơn vị [h] = kg m² s^-1. Nhưng câu hỏi là :  giả sử một thời gian ngắn sau khi bạn thay đổi định nghĩa có một thực nghiệm mới  đề xuất là bạn đã chọn trị số không đúng cho {h}, vậy điều gì sẽ sảy ra ?  

A9 : Sau khi thực hiện sự thay đổi, khối lượng của nguyên mẫu quốc tế của kilôgam (IPK), nó xác định kilôgam hiện hành, phải được xác định bằng thực nghiệm. Nếu chúng ta đã chọn một “giá trị không đúng” thì điều ấy đơn giản có nghĩa là thực nghiệm mới nói với chúng ta là khối lượng của IPK không chính xác là 1 kg trong SI sửa đổi.

Mặc dù tình huống này có vẻ hình như là khó hiểu, nó sẽ chỉ ảnh hưởng đến phép đo khối lượng vĩ mô; khối lượng của nguyên tử và giá trị các hằng số khác liên quan đến vật lý lượng tử sẽ không bị ảnh hưởng. Nhưng nếu chúng ta vẫn duy trì định nghĩa hiện hành của kilôgam, chúng ta sẽ tiếp tục thực tế không hài lòng của việc sử dụng một hằng số quy chiếu (tức khối lượng của IPK) mà bằng chứng tin cậy cho thấy là nó thay đổi theo thời gian so sánh với một bất biến thực như khối lượng của nguyên tử hoặc hằng số Plank. Dù độ lớn của sự thay đổi này không biết được chính xác, nó có thể đã đạt tới 1.10^-7 ngay từ năm 1889 khi IPK được phê chuẩn làm định nghĩa của kilôgam.  

Ưu điểm của định nghĩa mới đó là chúng ta sẽ biết hằng số quy chiếu được sử dụng để xác định kilôgam thực sự là một bất biến.

Q10 : Mỗi hằng số cơ bản dùng để xác định đơn vị có một độ không đảm bảo, giá trị của nó không biết được chính xác. Nhưng nó được đề nghị để cố định chính xác trị số. Sao bạn có thể làm như thế ? Điều gì đã sảy ra đối với độ không đảm bảo ?

A10 : Định nghĩa hiện tại của kilôgam cố định khối lượng IPK chính xác là một kilôgam với độ không đảm bảo zero, u_r(m_IPK) = 0. Hằng số Plank hiện tại được xác định bằng thực nghiệm và có độ không đảm bảo tương đối u_r(h) = 1,0 x 10^-8.

Trong định nghĩa mới giá trị của h được biết chính xác theo đơn vị của nó với độ không đảm bảo zero, u_r(h) = 0. Nhưng khối lượng của IPK sẽ phải xác định bằng thực nghiệm và nó sẽ có độ không đảm bảo tương đối vào khoảng u_r(m_IPK) =  1,0 x 10^-8. Như vậy độ không đảm bảo không mất đi trong định nghĩa mới, nhưng nó dịch chuyển thành độ không đảm bảo của quy chiếu trước đây, còn được dùng không lâu nữa, như trong bảng sau :

Q11 :  Đơn vị của hằng số Plank bằng đơn vị của tác động, J s = kg m² s^-1. Cố định trị số của hằng số Plank thế nào để xác định kilôgam ?

A11 : Cố định trị số của h thực sự là xác định đơn vị của tác động, J s = kg m² s^-1. Nhưng nếu chúng ta đã xác định được giây, s, để cố định trị số của tần số chuyển dịch siêu tinh tế xesi Dn_Cs , và mét, m, để cố định trị số của vận tốc ánh sáng trong chân không, c, thì việc cố định độ lớn của đơn vị kg m² s^-1 có tác dụng xác định đơn vị kg. 

Q12 : Có phải định nghĩa được đề nghị của các đơn vị cơ bản trong SI sửa đổi là các định nghĩa vòng quanh, và vì vậy không hài lòng ?

A12 : Không phải, các định nghĩa không vòng quanh. Định nghĩa vòng quanh là định nghĩa sử dụng kết quả của một định nghĩa để tạo ra một định nghĩa. Lời trong các định nghĩa riêng biệt của các đơn vị cơ bản trong SI sửa đổi quy định trị số của từng hằng số quy chiếu được chọn để xác định đơn vị tương ứng, nhưng không thực hiện việc sử dụng kết quả để tạo ra định nghĩa.

Q13 : Trong SI sửa đổi hằng số quy chiếu cho kilôgam là hằng số Plank, h, có đơn vị là kg m² s^-1.. Sẽ dễ hiểu hơn rất nhiều nếu hằng số quy chiếu có đơn vị khối lượng, kg. Như vậy chúng ta có thể nói : “Kilôgam là khối lượng của (vật nào đó), chẳng hạn như khối lượng của một số nhất định nguyên tử carbon hoặc silicon. Đó không phải là một định nghĩa tốt hơn sao ?  

A13 :  Đây là sự mở rộng thêm vấn đề cân nhắc. Tuy nhiên lưu ý là hằng số quy chiếu dùng để xác định đơn vị không phải có cùng thứ nguyên như đơn vị (dù là nó có thể đơn giản hơn về mặt khái niệm như trong trường hợp này). Chúng ta đã sử dụng một số hằng số quy chiếu trong SI hiện hành có đơn vị khác với đơn vị được xác định. Ví dụ mét được xác định bằng cách sử dụng hằng số quy chiếu là vận tốc ánh sáng c với đơn vị m/s, không phải là một độ dài cụ thể theo m. Định nghĩa này đã không tìm thấy sự không hài lòng.

Dù bằng trực giác có thể thấy là đơn giản hơn khi xác định kilôgam bằng cách sử dụng một khối lượng làm hằng số quy chiếu, nhưng sử dụng hằng số Plank lại có các ưu việt khác. Ví dụ, nếu cả hai hằng số h và e được biết chính xác như đề nghị trong SI sửa đổi , thì cả hai hằng số Josephson và von Klitzing K_J và R_K sẽ được biết chính xác , với ưu việt lớn để dùng cho đo lường điện.

Q14 :  Mặc dù như đã trả lời Q13 ở trên, vẫn có người nghi ngờ sự sáng suốt của việc xác định kilôgam bằng cách sử dụng h là một quy chiếu thay vì sử dụng m(¹²C). Một trong những lý lẽ của nghi ngờ này là thực nghiệm cân Kibble (KB) để xác định h sử dụng một thiết bị phức tạp, tốn kém, vận hành khó khăn, so với thực nghiệm XRCD (mật độ tinh thể tia-X) để đo khối lượng nguyên tử silicon 28, và từ đó có khối lượng của nguyên tử carbon 12. Lý do chính của việc chọn h thay vì m(¹²C) làm hằng số quy chiếu cho kilôgam là gì ?

A14 : Thực ra là có hai vấn đề không liên quan với nhau :

1. Tại sao lại chọn h mà không phải là m(¹²C) làm hằng số quy chiếu cho kilôgam? 

2. Có đúng là việc chọn h hoặc m(¹²C) sẽ định rõ kilôgam được thể hiện trong thực tế hoặc bằng thực nghiệm KB hoặc bằng thực nghiệm XRCD không ?   

1. Một khi trị số của hằng số đưa ra một giá trị cố định, hằng số không còn đòi hỏi, thật sự là không thể, được đo tiếp sau nữa. Ví dụ, năm 1983 khi SI được sửa đổi bằng cách lấy vận tốc của ánh sáng trong chân không, c, hằng số quy chiếu cho mét, quá trình lâu dài của việc đo c đột ngột kết thúc. Đây là một lợi ích to lớn của khoa học và công nghệ, một phần vì c xuất hiện ở nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ mà mỗi lần có sự thay đổi giá trị SI được khuyến nghị của c, thì lại phải cập nhật giá trị của nhiều hằng số và hệ số chuyển đổi liên quan đến c. Quyết định xác định trị số của c rõ ràng là quyết định chính xác.

Tương tự, h là một hằng số cơ bản của vật lý lượng tử và do đó giá trị SI của nó được dùng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của khoa học và công nghệ hiện đại. Những thay đổi đối với giá trị khuyến nghị của h khi các thực nghiệm được cải tiến là sự khó chịu và rắc rối nhất. Cơ sở hợp lý cho việc xác định trị số của h cũng tương tự như đối với việc xác định c, ngoài ra còn có những lợi ích cụ thể trong đo lường điện như đã chỉ ra ở A6.

2. Không phải. Việc chọn một hằng số quy chiếu dùng để xác định kilôgam không bao hàm bất cứ phương pháp thực tế nào để thể hiện kilôgam, và nó không được đề cập trong Nghị quyết 1 (CGPM 2011). Chúng ta biết rằng mọi sự thể hiện phải có thể liên kết tới h vì h sẽ là hằng số quy chiếu trong định nghĩa mới của kilôgam. Tuy nhiên, cũng biết là h/m(¹²C) = Q, trong đó Q mô tả một tập hợp của các thừa số bằng số chính xác và các hằng số xác định bằng thực nghiệm. Độ không đảm bảo chuẩn tương đối của Q dựa trên giá trị khuyến nghị hiện hành của các hằng số liên quan chỉ là 4,5.10^-10. Một thiết bị, ví dụ như KB, đo chuẩn khối lượng 1 kg trực tiếp theo h và các phép đo phụ trợ độ dài, thời gian, điện áp và điện trở, có thể được sử dụng để thể hiện kilôgam. Tuy nhiên, một thực nghiệm để đo chuẩn khối lượng 1 kg theo m(¹²C), như trong dự án XRCD, cũng có khả năng để thể hiện kilôgam. Vì m(¹²C)Q = h nên giá phải trả cho việc đạt được h thông qua m(¹²C) là độ không đảm bảo của Q, nó không đáng kể trong bối cảnh thể hiện định nghĩa mới. Sẽ là vội vã để nghiên cứu có hay không một cách thể hiện sẽ chiếm ưu thế trong vận hành lâu dài hoặc có hay không các cách khác sẽ cùng tồn tại. Hiện nay, tất cả các thực nghiệm như thế đều rất khó khăn và tốn kém.

Q15 : Chúng ta vẫn có thể kiểm tra tính nhất quán của vật lý nếu chúng ta cố định giá trị của tất cả các hằng số cơ bản ?

A15 : Chúng ta không cố định giá trị của tất cả các hằng số cơ bản , chỉ trị số của một tập hợp con nhỏ và sự kết hợp các hằng số trong tập hợp con này. Điều này có tác dụng thay đổi định nghĩa của đơn vị, nhưng không ảnh hưởng đến các phương trình vật lý, và nó không cản trở việc nghiên cứu từ sự kiểm tra tính nhất quán của các phương trình.

Q16 : Tôi sẽ có được chuẩn khối lượng của tôi, hoặc nhiệt kế của tôi, được hiệu chuẩn theo SI sửa đổi theo cùng một cách như tôi đang làm hiện nay chứ ?

A16 : Đúng thế. Bạn sẽ gửi nó đến Viện đo lường quốc gia (NMI) của bạn để hiệu chuẩn, đúng như bạn đang làm hiện nay. NMI sẽ thiết lập sự thể hiện đơn vị riêng của nó bằng cách sử dụng định nghĩa mới, hoặc bằng cách xây dựng một thiết bị thích hợp tại chố, hoặc bằng một phương pháp bất kỳ nào khác đạt được sự vừa ý, ví dụ như trong trường hợp chuẩn khối lượng 1 kg, bằng cách gửi tới BIPM để hiệu chuẩn. BIPM có ý định duy trì liên kết chuẩn tới định nghĩa của kilôgam thông qua một phương tiện có trọng số của tất cả các thể hiện có thể có.

                                                                                                                                  Nguồn : BIPM, 5/2018