“1 kg thép và 1 kg lông vũ, thứ nào nặng hơn?” , câu đố quen thuộc khiến nhiều người dễ mắc bẫy. Đáp án thường được đưa ra là hai vật nặng bằng nhau vì cùng có khối lượng 1 kg. Dù vậy, nếu xem xét kỹ dưới góc độ vật lý, câu trả lời không hoàn toàn đơn giản.
Giả sử đặt 1 kg thép và 1 kg lông vũ lên hai đĩa của chiếc cân thăng bằng trong môi trường chân không. Khi đó, cân sẽ giữ thăng bằng vì hai vật có cùng khối lượng và chịu lực hấp dẫn như nhau.
Nhưng nếu thực hiện phép đo trong khí quyển, cán cân có thể nghiêng về phía thép. Nguyên nhân không phải do khối lượng hai vật thay đổi, mà bởi tác động của lực đẩy nổi trong không khí. Vật chiếm thể tích càng lớn thì lực đẩy này càng mạnh.
Lông vũ chiếm thể tích lớn hơn nhiều so với thép dù có cùng khối lượng, vì vậy cũng chiếm chỗ nhiều không khí hơn. Điều này khiến lông vũ chịu lực đẩy hướng lên lớn hơn, làm giảm một phần trọng lượng mà chiếc cân ghi nhận.
Theo một phép tính được chia sẻ trên diễn đàn Physics Stack Exchange, lông vũ có thành phần chính là keratin, với khối lượng riêng khoảng 1,3 g/cm³, trong khi thép có khối lượng riêng 7,86 g/cm³. Với cách tính đơn giản hóa, một kg lông vũ chiếm chỗ khoảng 751 cm³ không khí, còn một kg thép chỉ chiếm chỗ 127 cm³.
Ở mực nước biển, lực đẩy nổi khiến một kg lông vũ có trọng lượng biểu kiến tương đương 999,08 gram-lực, trong khi thép là 999,85 gram-lực. Chênh lệch giữa hai vật chỉ khoảng 0,77 gram-lực, rất nhỏ và khó nhận thấy bằng cân thông thường nhưng vẫn có ý nghĩa trong các phép đo chính xác.
Hiện tượng này không chỉ tồn tại trên lý thuyết. Năm 2014, một nhóm nhà khoa học đã tiến hành thí nghiệm kiểm chứng hiện tượng trên. Thay vì dùng thép và lông vũ, họ sử dụng một tấm đồng thiếc mỏng và một khối nhựa xốp polystyrene.
Hai vật ban đầu được điều chỉnh để cân bằng trong không khí. Khi các nhà nghiên cứu bắt đầu hút không khí khỏi buồng chứa, cán cân thay đổi trạng thái do lực đẩy của không khí giảm dần.
Kết quả cho thấy môi trường xung quanh có thể ảnh hưởng đến số đo trọng lượng của những vật có cùng khối lượng. Các nhà nghiên cứu nhận định một kg sắt và một kg lông vũ hoàn toàn có thể cho kết quả khác nhau khi cân trong những điều kiện nhất định.
Theo Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST), lực đẩy của không khí là một trong những nguyên nhân gây sai số đáng kể khi so sánh khối lượng các vật. Vì vậy, các phép đo đòi hỏi độ chính xác cao phải tính đến yếu tố này.
Dù vậy, kết quả không có nghĩa một kg thép thực sự chứa nhiều vật chất hơn một kg lông vũ. Khối lượng của chúng vẫn hoàn toàn bằng nhau.
Sự khác biệt chỉ xuất hiện khi xét số đo trọng lượng trong không khí, nơi hai vật chịu lực đẩy khác nhau. Vì thế, câu trả lời cho câu đố quen thuộc phụ thuộc vào việc chúng ta đang so sánh khối lượng hay kết quả hiển thị trên cân.
Hoặc