Vào một chiều Chủ nhật, bà Kim đi mua hàng tạp hóa với gia đình. Vì nhiệt độ xuống dưới 2℃, họ mang theo áo khoác mùa đông và vào trong xe ô tô. Hệ thống định vị toàn cầu chỉ ra rằng sẽ mất khoảng 20 phút để lái xe đến siêu thị cách đó khoảng 5 ㎞.
Trước tiên, bà ấy đi mua giày cho chồng. Ông ấy thử giày (cỡ 275 ㎜ và 280 ㎜) và chọn những đôi có kích thước lớn hơn. Trong cửa hàng tạp hóa, họ mua (600 g) thịt bò cho bữa tối, hai chai sữa (1L) giảm giá và cả một hộp táo (5 ㎏).
Nhiệt độ, khoảng cách, trọng lượng, và các kích thước khác nhau … Chúng ta luôn được bao quanh bởi các con số không đếm xuể trong cuộc sống. Các đơn vị đo lường này được tạo ra như thế nào?
Các đơn vị đo lường, Áp Kế của Nền Văn Minh
Nhu cầu về các đơn vị ngày càng tăng khi con người bắt đầu làm nông nghiệp và nền văn minh được hình thành. Việc phát triển các loại cân và các loại thước đo là cần thiết trong quá trình đo lường diện tích canh tác và phân phối các loại nông sản đã thu hoạch. Họ phải biết khối lượng hoặc trọng lượng của một vật để có thể trao đổi tương xứng và đo lường chính xác nguyên vật liệu để sản xuất ra các sản phẩm như quần áo và để xây dựng các tòa nhà.
Các đơn vị đo lường đầu tiên dựa trên các bộ phận cơ thể người. Ở Hy Lạp cổ đại, “pous” là thuật ngữ chỉ độ dài của bàn chân và “daktylos” chỉ chiều rộng của ngón tay; một pous được chia thành 16 daktylos hoặc chữ số. Những đơn vị đo lường dựa trên các bộ phận cơ thể người hoặc khả năng của con người ở Nhật Bản được gọi là “身體 尺 (shintaishaku)”. Thước (尺) là khoảng cách từ đầu ngón tay cái đến đầu ngón trỏ khi mở rộng, và cubit từ Ai Cập là đơn vị đo dựa trên khoảng cách từ đầu ngón tay giữa đến cuối khuỷu tay. Ở xã hội phương Tây, digit là đơn vị cơ bản nhỏ nhất, là chiều rộng của ngón tay.
Tuy nhiên, thật khó để thống nhất các đơn vị đo lường dựa trên cơ thể người bởi vì mỗi người có một vóc dáng cơ thể khác nhau. Để giải quyết vấn đề này, Ai Cập đã thiết lập một đơn vị cubit chuẩn, được gọi là Cubit hoàng gia, dựa trên chiều dài của cẳng tay của Pharaôn, và sử dụng nó để xây dựng các kim tự tháp.
Các loại hạt cũng được sử dụng như một đơn vị đo lường vì chúng chắc chắn và dễ lấy. Vào thế kỷ thứ ba trước Công nguyên, triều đại nhà Tần đã sử dụng chiều dài của một nhạc cụ bằng ống tre gọi là hoàng trung (huangzhong) làm đơn vị đo lường tiêu chuẩn; mỗi ống tre có chiều dài bằng 90 hạt kê xếp thành hàng dài. Họ cũng sử dụng hạt kê làm đơn vị đo lường. Một đơn vị nhỏ hơn “thốn (寸)” là chiều dài của 10 hạt kê xếp thành hàng dài.
Các loại hạt cũng được sử dụng để đo trọng lượng. Người La Mã quyết định 1.728 hạt carob để cân một pound La Mã và 144 hạt carob để cân một ounce La Mã. Thuật ngữ “carat” có nguồn gốc từ hạt carob, đơn vị đo ban đầu cho trọng lượng kim cương. Theo đơn vị của Hoàng gia Anh, một pound tương đương với 7.000 hạt lúa mạch. Tuy nhiên, các loại hạt cũng không thích hợp để sử dụng làm đơn vị đo lường tiêu chuẩn vì trọng lượng và chiều dài của chúng thay đổi tùy theo điều kiện thời tiết và kích thước của chúng khác nhau.
Nỗ lực để Thống Nhất các Đơn Vị
Vào ngày 23 tháng 7 năm 1983, một chiếc Boeing 767 của Hãng hàng không Canada bay đến Edmonton bị hết nhiên liệu và hệ thống cảnh báo đã kêu lên. Động cơ dừng lại, và phi công hầu như không kịp hạ cánh khẩn cấp. Tai nạn này là do nhầm lẫn giữa các đơn vị đo lường. Các phi công đã tính toán lượng nhiên liệu cần thiết bằng kilôgam, nhưng nhân viên mặt đất lại nạp nhiên liệu cho máy bay bằng pound. Do đó, máy bay đã bay với lượng nhiên liệu ít hơn một nửa số nhiên liệu được yêu cầu.1
1. 1 Lít = 0.8 ㎏ [1.77 pound]
Vào tháng 9 năm 1999, Tàu quỹ đạo khí hậu sao Hỏa của NASA đã bị mất tích khi đi vào bầu khí quyển của sao Hỏa. Điều này cũng do nhầm lẫn giữa các đơn vị đo lường. NASA sử dụng hệ thống số liệu là mét và kilôgram, nhưng công ty chế tạo tàu vũ trụ đã sử dụng hệ thống đơn vị đo lường Anh dựa trên đơn vị yard và gallon. Sự nhầm lẫn đơn vị đo đã không được nhận ra ngay cả khi tàu vũ trụ đang đi vào bầu khí quyển của sao Hỏa, khiến gây ra vụ tai nạn.
Trong suốt mọi thời đại, hệ thống đơn vị không thống nhất đã gây ra sự nhầm lẫn. Tại Pháp, có hơn 250.000 đơn vị đo lường khác nhau được sử dụng trong thế kỷ 18. Điều này gây ra các vấn đề về giao tiếp và thương mại, và các lãnh chúa đã có thể tự thu thuế theo ý mình. Những vấn đề thể này cũng đã xảy ra ở phương Đông cũng như ở phương Tây. Đơn vị Thước (尺) ban đầu được dựa trên khoảng cách đo được bằng bàn tay người từ đầu ngón tay cái đến đầu ngón trỏ, nhưng chiều dài tiêu chuẩn của nó trở nên dài hơn theo thời gian. Khi Chính phủ Minh Trị Nhật Bản thông qua nó vào năm 1875, chiều dài của nó là 30 cm. Điều này cũng xảy ra khi các nhà thống trị tiếp tục tăng chiều dài để thu được nhiều thuế hơn.
Các nhà khoa học từ lâu đã mơ ước phát triển các đơn vị khoa học nhất quán và dễ sử dụng cho mọi người. Christopher Wren, kiến trúc sư và nhà thiên văn học người Anh ở thế kỷ 17, đã cố gắng xác định đơn vị độ dài tiêu chuẩn bằng phương pháp dao động của con lắc. Ông đề xuất một hệ thống mới dựa trên hệ thống thước Anh, mà ông định nghĩa là độ dài của chuyển động của một con lắc va chạm với tỉ lệ va đập trên một giây. Nhiều phương tiện khác nhau như hoạt động của mao dẫn (hoặc mao dẫn2) và chiều dài bước sóng ánh sáng đã được thảo luận, nhưng cuối cùng đã đi tới thỏa thuận về việc xác định chu vi trái đất làm đơn vị đo tiêu chuẩn.
2. Hiện tượng chất lỏng bốc hơi lên qua một ống hẹp hoặc hình trụ xảy ra; mực chất lỏng trong ống mao dẫn bị cao hơn hoặc thấp hơn mực chất lỏng bên ngoài ống mao dẫn.
Đó là cách hệ thống mét, một hệ thống các đơn vị đo lường, được phát triển. Mét (metre hoặc meter), có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp “metron” có nghĩa là “thước đo” ban đầu được định nghĩa là một phần mười triệu khoảng cách từ xích đạo đến Cực Bắc, được đo qua Paris, Pháp. Các nhà thiên văn học người Pháp Delambre và Méchain đã thực hiện một cuộc thám hiểm để đo khoảng cách. Vào ngày 10 tháng 12 năm 1799, hệ thống đo lường mét có hiệu lực tại Pháp, và mét được thiết lập như là thước đo tiêu chuẩn trên toàn quốc. Họ cũng làm những chiếc thước dài một mét và phân phát cho từng thành phố.
Napoléon, người đã chinh phục gần hết châu Âu, đã truyền bá hệ thống đo lường mét trong suốt thế kỷ 19. Hệ thống mét bắt đầu được sử dụng trong nhiều lĩnh vực rộng rãi hơn khi Công ước về Mét được ký kết tại Pháp vào ngày 20 tháng 5 năm 1875, bởi đại diện của 17 quốc gia, bao gồm Hoa Kỳ, Đức, Nga và Brazil.
Sửa đổi các Đơn vị
Nghiêm khắc mà nói thì Trái đất không phải là một hình cầu hoàn hảo bởi vì nó có một chỗ phình ra ở xích đạo. Vì vậy, Trái đất có đường kính khác nhau khi đo quanh xích đạo so với khi đo từ các cực. Điều này có nghĩa là chiều dài của mét, dựa trên chu vi của Trái đất, có thể thay đổi. Tại Đại hội đầu tiên về Trọng lượng và Đo lường [CGPM] năm 1889, các nhà khoa học đã xác định chiều dài của một mét dựa trên một hình trụ bằng platin (bạch kim) và iridi có độ ổn định hóa học cao.
Tuy nhiên, đồ tạo tác sẽ thay đổi một chút theo môi trường xung quanh như nhiệt độ và độ ẩm; nó có thể giãn nở hoặc co lại hoặc bị oxy hóa. Hệ thống đo lường mét không phải là ngoại lệ. Sau rất nhiều nghiên cứu, các nhà khoa học đã đồng thuận với định nghĩa mới về mét sử dụng nguyên tử vào năm 1960.3
3. Tương ứng với 1.650.763,73 bước sóng của vạch phát xạ màu đỏ cam trong quang phổ của nguyên tử krypton-86 trong môi trường chân không.
Chưa dừng lại ở đây, vào năm 1983, họ đã xác định mét bằng tham chiếu tốc độ ánh sáng không thay đổi. Định nghĩa chỉ ra rằng mét là độ dài của đường đi của ánh sáng trong chân không trong khoảng thời gian 1 / 299.792.458 của một giây. “Giây” tại đây dựa trên sự dao động của nguyên tử xêzi 133 không thay đổi.4 Trớ trêu thay, vẫn không thể xác định được chiều dài của một mét thỏa mãn định nghĩa mới bởi vì không thể đạt được chân không hoàn hảo bằng cách nhân tạo. Một tia laser khí heli-neon được sử dụng để đo chiều dài của một thước mét trong các quỹ đạo khoa học.
4. Một giây là khoảng thời gian 9.192.631.770 dao động của một nguyên tử 133 xêzi.
Có bảy đơn vị cơ bản trong Hệ thống đơn vị quốc tế [SI]: mét [m] để đo chiều dài, kilôgam [㎏] để đo khối lượng, [s] giây để đo thời gian, ampe [A] để đo dòng điện, kelvin [K] để đo nhiệt độ, mol [mol] để đo lượng chất và candela [cd] để đo cường độ sáng. Định nghĩa của những đơn vị này liên tục được chỉnh sửa và thay đổi để trở thành những tiêu chuẩn bất biến, bắt kịp với những tiến bộ của khoa học và công nghệ.
Kilôgam là đơn vị SI cuối cùng được xác định bởi một nguyên mẫu vật lý, khiến nó trở thành đồ tạo tác duy nhất mà các định nghĩa Đơn vị SI phụ thuộc vào. Nguyên mẫu Quốc tế của Kilôgam [IPK] là một hình trụ được làm từ hợp kim của 90% bạch kim và 10% iriđi, với đường kính và chiều cao là 39 ㎜. Hình trụ này nằm dưới ba chuông thủy tinh bảo vệ, trong môi trường được kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm, được kiểm tra cẩn thận hàng năm bởi Văn phòng Trọng lượng và Đo lường Quốc tế gần Paris.
Tuy nhiên, Nguyên mẫu Quốc tế của Kilôgam [IPK] không thể tránh khỏi việc được xác định lại theo thời gian. Khoảng cách về khối lượng giữa IPK và các bản sao được lưu trữ ở 23 quốc gia ngày càng tăng. Năm 2007, sự khác biệt về khối lượng giữa IPK và các bản sao của nó là 100 ㎍.5
5. Một microgam [㎍] là 1 phần triệu của gam.
Hội nghị chung về Trọng lượng và Đo lường đã đồng ý xác định lại kilôgam theo hằng số Planck [h]6, một hằng số vật lý cơ bản. Kilôgam, đơn vị khối lượng trong hệ SI, được xác định bằng cách lấy giá trị số cố định của hằng số Planck [h] là 6,62607015×10−34 khi được biểu thị bằng đơn vị jun giây [J·s], bằng ㎏·㎡·s-1.
6. Lượng tử của hoạt động điện từ liên quan tới năng lượng của một photon với tần số của nó.
Sau vài năm nghiên cứu bằng cách sử dụng cân bằng Kibble – một sự hội tụ của công nghệ tiên tiến, giá trị của hằng số Planck đã được cố định7. Qua việc này, kilôgam đã được xác định lại tại Hội nghị chung lần thứ 26 về Trọng lượng và Đo lường được tổ chức tại Versailles, Pháp vào ngày 16 tháng 11 năm 2018. Điều này diễn ra khoảng 130 năm sau khi Nguyên mẫu Quốc tế về kilôgam được làm vào năm 1889. Tính đến ngày 20 tháng 5 Năm 2019, Ngày Đo lường Thế giới, định nghĩa mới về kilogam đã được thông qua.
7. Hằng số Planck [h] = 6,62607015×10-34 J·s [㎏·㎡/s]
Các đơn vị không bao giờ thay đổi bất kể thời gian và không gian, bất cứ nơi nào trong vũ trụ! Mọi người vẫn luôn mong muốn thiết lập các tiêu chuẩn bất biến thông qua nhiều nỗ lực và nghiên cứu đa dạng. Một trong những điều ấn tượng đó là: cùng với những tiến bộ của khoa học, các tiêu chuẩn đo lường cơ bản đã thay đổi từ vật tạo tác sang vật thể tự nhiên. Thời gian, được biết đến như là “tiêu chuẩn của các tiêu chuẩn” được xác định dựa trên ánh sáng.
Các tiêu chuẩn bất biến, vĩnh cửu không thể dễ dàng xác định hoặc thiết lập bởi năng lực của loài người. Chỉ những quy luật tự nhiên mà Đức Chúa Trời đã ban cho tất thảy loài người từ thời sáng thế, mới là tiêu chuẩn vĩnh cửu và bất biến.
“Khi ta đặt nền trái đất, thì ngươi ở đâu? Nếu ngươi thông sáng, hãy tỏ bày đi. Ai đã định độ lượng nó, và giăng dây mực trên nó, ngươi có biết chăng?” Gióp 38:4–5
“Nếu ông dò xét, há có thể hiểu biết được sự sâu nhiệm của Đức Chúa Trời, Và thấu rõ Đấng Toàn năng sao? Sự ấy vốn cao bằng các từng trời: Vậy ông sẽ làm gì? Sâu hơn âm phủ: ông hiểu biết sao đặng? Bề dài sự ấy lại hơn cỡ trái đất, Và rộng lớn hơn biển cả.” Gióp 11:7-9
- Tham khảo
- Crease, Robert P. Thế giới trong sự cân bằng: Nhiệm vụ lịch sử cho một hệ thống đo lường tuyệt đối. New York, NY: W. W. Norton & Company, 2012.
- Tadahiko, Hoshida. Câu Chuyện Đơn Vị Chiêm Tinh (Bản tiếng Hàn). Hàn Quốc: Giới thiệu về Sách, 2016.
- Kim, Il-seon. [Nghiên Cứu Thế giới Qua các Đơn vị Đo Lường]. Hàn Quốc: Nhà xuất bản Gimm-Young, 2017.