CreatZy Physics Notes

Trong đó, dù SI có "biện bạch" thế nào thì mình vẫn thấy "đơn vị mole" là dư thừa, chẳng khác nào "kilo, mili"! Lại tìm hiểu SI tiếp thì thấy trong khi mole là "đơn vị cơ bản" thì "radian" lại là đơn vị dẫn xuất! Thật ngược đời! Dòm kỹ lại thì thấy cả 2 đều có cùng bản chất "không có thứ nguyên" (dimensionless), vậy nên nếu dùng thì dùng cả 2, nếu không thì không dùng cả hai, chứ sao lại có thể "phân biệt đối xử" như thế được!? Mình cũng bắt chước "Định nghĩa Đơn vị Mole" mà định nghĩa đơn vị radian và xây dựng các đơn vị liên quan tương tự bên mole, cho thấy chỉ cần thay đổi cách nhìn thì từ không đơn vị trở nên có đơn vị mà thôi! Sau khi làm cái tương ứng đó xong, mình tìm kiếm tiếp, và thấy bác John Denker nói rất hay về việc có hay không có thứ nguyên. Nhờ đó, mình cũng được biết rằng 2 đơn vị "chưa hề là cơ bản trong đầu mình", mole và candela¹ thực sự là "không cơ bản" trên quan điểm Giải tích Thứ nguyên: [mole] = [1]; [candela] = [watt/steradian]. Hơn nữa, bác John Denker còn nhắc mình rằng trong thuyết Tương đối thì đến cả 2 đơn vị còn cơ bản hơn nữa là Không gian và Thời gian còn bị nhập lại làm một nữa là... :D

Hôm nay, đọc thêm về cái "đơn vị đèn cày" candela đó, mình có thể tóm gọn lại là: Những bất cập (thừa/thiếu) trong lựa chọn đơn vị của SI là do 2 yếu tố lịch sử và kỹ thuật.

• Lịch sử
  
  1. Candela: Ngày xưa, các kỹ sư chiếu sáng quan sát thấy "độ chiếu sáng" là một đại lượng đặc trưng cho ánh sáng và lập thang độ đo cho nó. Lúc đầu họ cho rằng candela hay lumen là những đại lượng độc lập của Quang học, nhưng sau này nhận ra rằng nó chỉ là hàm số của công suất và bước sóng mà thôi. Nhưng ... (tại sao nó vẫn còn trong bộ "đơn vị cơ bản" thì có lẽ là vấn đề kỹ thuật.)
     
  2. Mole: Ngày xưa, các kỹ sư Hoá học "cảm thấy" khối lượng chưa đủ để xác định "lượng vật chất" còn các kỹ sư Nhiệt học chất khí thì lại thấy không thể đo "lượng khí" bằng khối lượng hay thể tích được, thế nên khái niệm "lượng vật chất thuần tuý" mole ra đời. Vì lúc đó chưa có khái niệm phân tử / nguyên tử (hay nếu có thì cũng chỉ là giả thuyết, chưa mấy ai tin) nên mole là một đại lượng đặc biệt quan trọng vì nó dùng để đo số lượng của cái thành phần cơ bản nhất của vật chất, cái lượng mà chẳng phụ thuộc vào bất kỳ thuộc tính nào khác (chất, nhiệt độ, áp suất, v.v.), cái lượng bản chất sơ cấp so với các đại lượng định lượng khác như khối lượng, thể tích, năng lượng đều là thứ cấp. Nói hình tượng thì 1 mole là một cái "túi cao su" chứa một lượng vật chất "không đổi" đối với tất cả các chất trong tất cả các điều kiện. "Không đổi" ở đây nghĩa là biểu hiện về lượng là tương đương trong mọi phản ứng hoá học cũng như trong mọi điều kiện của chất khí (trạng thái của hệ chất khí). Cùng một túi mole đó, nhưng chứa chất khác nhau thì có khối lượng khác nhau, đặt vào nhiệt độ khác nhau thì nó co giãn đến thể tích khác nhau và thăng giáng đến năng lượng khác nhau; nghĩa là hết thảy các đại lượng định lượng khác đều có thể biểu diễn thông qua đại lượng sơ cấp mole và một vài tham số khác (chất, nhiệt độ, áp suất, v.v.).
     Tuy nhiên, sau khi thuyết phân tử được xác thực và hằng số Avogadro² khổng lồ được xác định thì mole lập tức sụp đổ xuống còn một bội số; N_A = 6.022 141 79(30)×10²³ cũng giống như c = 299 792 458 tuy rất lớn nhưng không phải là vô cùng mà hoàn toàn xác định! Và vì thế nên cái cơ bản, cái sơ cấp kia không phải là "mole" nữa mà chính là các hạt cơ bản (lúc bấy giờ là phân tử, nguyên tử, còn sau này là electron, nucleon, quack, photon, v.v.). Nhưng vì rất nhiều đại lượng đã được xây dựng dựa trên mole, và mole còn giữ ý nghĩa rất đặc trưng trong Hoá học và nhất là trong Động lực học Khí lý tưởng, nên nó vẫn còn được lưu lại trong số các "đơn vị cơ bản" :)
     
  3. Kelvin: Từ xưa, các nhà khoa học đã lập thang độ đo cái nóng/lạnh và luôn coi nó là một đại lượng độc lập, có thể nói là đặc trưng cho Nhiệt học. Cho đến khi Boltzmann chỉ ra liên hệ mật thiết giữa Cơ năng của hạt Vi mô với Nhiệt độ của hệ Vĩ mô, thì đã rõ Nhiệt độ là cường độ Nhiệt, hay mật độ Nhiệt năng (Năng lượng nhiệt) [kelvin] = [jule]/[mole]. Tuy nhiên, ngoài những hệ có cấu trúc vi mô đơn giản như Khí lý tưởng, thì Nhiệt dung riêng không phải dễ dàng tính được từ cấu trúc vi mô của hệ, nên trên thực tế, đơn vị nhiệt độ vẫn luôn cần thiết.
     
  4. Metre: Không gian là một trong 2 khái niệm cơ bản nhất của con người về thế giới, bên cạnh Thời gian. Vì thế nên đơn vị độ dài luôn ra đời sớm nhất trong mọi nền văn minh, song song với đơn vị thời gian. Tuy nhiên, đến khi Einstein đề ra thuyết Tương đối thì 2 khái niệm cơ bản kia lại hoá ra cùng 1 bản chất, Khối lượng, Nhiệt lượng, và Năng lượng hoá ra lại là một! Vậy nên trên lý thuyết, nếu xét về bản chất thì Mét chỉ là bội số của Giây, 1 mét = c giây, [mét] = [giây]. Nghĩa là nếu giây đã là đơn vị cơ bản rồi thì mét chỉ còn là đơn vị dẫn xuất từ giây mà thôi.
     
• Kỹ thuật

Vậy là rốt cục, theo Vật lý Lý thuyết thì chỉ cần 3 đơn vị cơ bản là Thời gian giây, Khối lượng kg, và Điện tích colomb mà thôi.

↑top↑ ↑archives↑