ชั่ง “กิโล” ให้ครบ “กิโล”

ปัญหาการชั่งน้ำหนักไม่ครบ “กิโล” นั้น ไม่ใช่ปัญหาที่เราพบเจอแค่ในตลาดสด แม้แต่ในห้องปฏิบัติการระดับโลก ที่ทำหน้าที่กำหนดนิยามของ “กิโลกรัม” ก็พบเจอปัญหาในทำนองคล้ายๆ กัน จนต้องหาว่า จะกำหนดมาตรฐานให้แก่หน่วยวัดนี้อย่างไร

เป็นเวลานานเกือบ 122 ปีแล้วที่ “กิโลกรัม” สำหรับสอบเทียบการวัดมวลให้เป็นมาตรฐานเดียวกันทั่วโลกถูกเก็บรักษาไว้อย่างดี ที่สำนักงานชั่งตวงวัดระหว่างประเทศ (International Bureau of Weights and Measures; BIPM) ซึ่งอยู่ในเมืองแซฟวร์ (Sevres) ทางตอนใต้ของกรุงปารีส ประเทศฝรั่งเศส

อุปกรณ์สำหรับสอบเทียบมวลนี้ เป็นโลหะแพลติตินัมและเออริเดียมทรงกระบอก ถูกเก็บไว้ในบรรจุภัณฑ์ที่ล็อคกุญแจแน่นหนาถึง 3 ชั้นและเก็บรักษาไว้ในฝรั่งเศสมาตั้งแต่ปี 1889 ซึ่งมีโอกาสน้อยครั้งมาก ที่ตุ้มน้ำหนักมาตรฐานนี้ จะได้สัมผัสกับแสง เว้นแต่เมื่อทำหน้าที่สอบเทียบกับอุปกรณ์สอบเทียบอื่นๆ

หากแต่มีข่าวอยู่เนืองๆ ว่าก้อนโลหะแพลตตินัมและเออริเดียมที่ใช้กำหนดมาตรฐานกิโลกรัมนี้ มีมวลที่คลาดเคลื่อนไป จนเป็นเหตุให้นักวิทยาศาสตร์ต้องมาทบทวนกันว่า ถึงเวลาแล้วที่ต้องเลิกใช้วัตถุที่คนเราสร้างขึ้นกำหนดนิยามให้แก่หน่วยในการวัดมวลนี้

ตั้งมาตฐานหน่วย ชั่ง-ตวง-วัด

นักมาตรวิทยาของไทย “ดร.สิวินีย์ สวัสดิ์อารี” ซึ่งปัจจุบันประจำอยู่ที่ฝ่ายมาตรวิทยาไฟฟ้า สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ (มว.) ได้รับรู้ถึงการหารือเพื่อเปลี่ยนนิยามใหม่ให้แก่ “กิโลกรัม” เป็นครั้งแรก ระหว่างการอบรมของสำนักงานชั่งตวงวัดระหว่างประเทศเมื่อปี 2003 ซึ่งมีนักมาตรวิทยาไฟแรงจากทั่วโลกไปร่วมอบรมในครั้งนั้น

ดร.สิวินีย์เล่าว่า การกำหนดมาตรฐานให้แก่หน่วยการวัดนั้น เกิดขึ้นในงานเอกซ์โปที่ฝรั่งเศสเมื่อ ปี 1887 ซึ่งมี 17 ประเทศคู่ค้าสำคัญของโลกร่วมลงนามในการสร้างหน่วยวัดร่วมกัน เป็นระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศ (International System of Units) หรือระบบเอสไอ

เริ่มจากการใช้ กิโลกรัม เมตร และวินาที ซึ่งเป็นหน่วยวัดในระบบเมตริกของฝรั่งเศส และตกลงให้สร้างมาตรฐานของหน่วยวัดทั้ง 3 ซึ่งแล้วเสร็จในปี 1889

หน่วยมาตรฐานถูกเก็บรักษาไว้ที่สำนักงานชั่งตวงวัดระหว่างประเทศในฝรั่งเศส โดยประเทศต่างๆ ที่ต้องการนำความถูกต้องของหน่วยวัดไปถ่ายทอด จะเดินทางมาสอบเทียบเครื่องมือวัดกับหน่วยวัดมาตรฐานนี้

ตุ้มน้ำหนักกิโลกรัม มาตรวัดเพียงหนึ่งเดียว

สำหรับกิโลกรัมมาตรฐานของโลกนั้น มีอยู่เพียงหนึ่งเดียว และไม่ได้ถ่ายทอดความถูกต้องให้แก่ตุ้มน้ำหนักของประเทศต่างๆ แต่มีตุ้มน้ำหนักอีก 6 อัน ที่ทำขึ้นจากแพลตตินัมและเออริเดียมเหมือนกันออกมา และทำหน้าที่ถ่ายทอดความถูกต้องให้แก่ตุ้มน้ำหนักของประเทศต่างๆ อีกทั้งยังใช้ตรวจสอบและสอบเทียบความถูกต้องของกิโลกรัมมาตรฐาน

ส่วนประเทศไทยมีตุ้มน้ำหนัก T80 ที่ผลิตจากแพลตตินัมและเออริเดียมเช่นกัน ซึ่งถูกเก็บไว้ที่สถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ และทำหน้าที่ถ่ายทอดความถูกต้องให้แก่กิจการชั่งมวลในไทย

“ในการสร้างตาชั่งนั้น ต้องเอามวลที่ถูกต้องไปชั่ง แล้วดูว่าค่าที่ชั่งออกมานั้นได้เท่าใด ถ้าตาชั่งได้ค่าไม่ตรงกับค่ามวลที่ถูกต้อง แสดงว่าตาชั่งนั้นผิด แต่ถ้าได้ถูกต้องเราจะได้ตาชั่งที่ถูกต้องไปชั่งมวลของวัตถุที่เราต้องการ ทราบว่ามีน้ำหนักเท่าไหร่” ดร.สิวินีย์กล่าว

ทั้งนี้ การถ่ายทอดความถูกต้องของการชั่งมวลนั้น จะมีความคลาดเคลื่อนไปตามลำดับขั้น และจำนวนครั้งของการถ่ายทอดถูกต้อง แต่ความคลาดเคลื่อนนั้นต้องเป็นที่ยอมรับได้

มวลโลหะที่หายไป สู่การเปลี่ยนวิธีใหม่

อย่างไรก็ดี ทุกสิ่งทุกอย่างในโลกล้วนเป็นอนิจจัง ไม่มีสิ่งใดไม่เปลี่ยนแปลง ซึ่งก้อนโลหะที่เป็นตัวกำหนดมาตรฐาน “กิโลกรัม” ของโลกก็หนีความจริงข้อนี้ไม่พ้น โดยนักวิทยาศาสตร์คาดว่าในรอบ 100 ปี มวลของก้อนโลหะที่เป็น “กิโลกรัมมาตรฐาน” นั้น น่าจะหายไป 50 ไมโครกรัม จากการหลุดหายของอะตอมโลหะ

การจะทราบว่ามีสิ่งใดที่เปลี่ยนไปนั้น ต้องมีสิ่งหนึ่งที่อยู่นิ่ง แต่กิโลกรัมมาตรฐานและก้อนโลหะอีก 6 อันที่ใช้สอบเทียบมวลกิโลกรัมมาตรฐาน ไม่มีอันใดที่อยู่นิ่ง จึงทำให้เกิดภาวะ “อึมครึม” ในกิจการชั่งมวลของโลก เพราะนักวิทยาศาสตร์ไม่ทราบแน่ชัดว่า มวลมาตรฐานโลกนั้นเปลี่ยนไปหรือไม่

ทั้งนี้ ดร.สิวินีย์กล่าวว่า เป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์กังวลกันมาก จึงต้องกำหนดนิยามกิโลกรัมใหม่ ที่มีเงื่อนไขคือ ต้องรู้เมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงหรือไม่เกิดการเปลี่ยนแปลง

“กิโลกรัมเป็นสิ่งที่ใครๆ ก็ใช้ แม่ค้าหรือนักวิทยาศาสตร์ที่ส่งยานอวกาศไปนอกโลกก็ต้องใช้ ดังนั้น จะเปลี่ยนนิยามโดย 3-4 ประเทศที่มีความพร้อมเลยไม่ได้ ต้องมีหลายประเทศช่วยกันดู เพื่อช่วยกันพิจารณาว่ามาตรฐานใหม่นั้นถูกต้องเพียงพอและดีกว่า” ดร.สิวินีย์กล่าว

เลิกเทียบกิโลกรัมกับวัตถุ หันใช้ค่าทางไฟฟ้า

สำหรับการหานิยามใหม่ให้แก่ “กิโลกรัม” นั้น นักวิทยาศาสตร์ให้ความสำคัญกับค่าคงที่ของพลังค์ (Planck constant) ที่มีความเชื่อมโยงกับมวล และเป็นนิยามในปรากฏการณ์ทางไฟฟ้า

ดร.สิวินีย์ ซึ่งจบการศึกษาระดับปริญญาเอกด้านฟิสิกส์ทฤษฎีจากมหาวิทยาลัยไลบ์นิซฮันโน เวอร์ (Leibniz University Hannover) ในเยอรมนี และทำวิจัยที่สถาบันมาตรวิทยาพีทีบี (Physikalisch-Technische Bundesanstalt: PTB) ของเยอรมนีด้วย กล่าวว่าเยอรมนีและอีกหลายชาติ พยายามหาค่าคงที่ของพลังค์ที่ถูกต้องที่สุด โดยการหาค่าคงที่อื่นที่เกี่ยวข้องกับค่าพลังค์ นั่นคือ เลขอาโวกาโดร (Avogadro's number)

ทั้งนี้ ค่าพลังงานของแสง เท่ากับ ค่าความถี่ของแสงคูณด้วยค่าคงที่ของพลังค์ ซึ่งมวลและพลังงานเป็นสิ่งเดียวกันตามกฎของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ คือ E=mc^2 ส่วนเลขอาโวกาโดรนั้น มีค่าเท่ากับจำนวนอะตอมของคาร์บอน-12 (C-12) ที่มีมวล 12 กรัม ดังนั้น เลขอาโวกาโดรจึงมีความสำคัญกับมวลเช่นกัน

“ในชีวิตประจำวันนั้น เราอาจจะไม่เห็นความจำเป็นที่จะมีความถูกต้องของหน่วยกิโลกรัมถึงหลักทศนิยมที่ 9 หลักทศนิยมที่ 10 แต่ยังมีงานที่ต้องทำไปจนถึงระดับอะตอม หรืออย่างนาโนเทคโนโลยีที่เข้ามามีบทบาทในชีวิตประจำวันมากขึ้น เราจึงต้องมีความสามารถในการจัดการขนาดเล็กๆ ระดับนั้น” ดร.สิวินีย์กล่าวถึงสำคัญของการนิยามและกำหนดมาตรฐานกิโลกรัม

การชั่งมวลที่ถูกต้อง นอกจากจำเป็นต่อการจับจ่ายซื้อของในตลาดสดแล้ว ยังมีการประยุกต์ใช้อื่นอีก เช่น น้ำหนักในการเหยียบเบรกระหว่างขับรถนั้นต้องหนักกว่ารถ 3 เท่าจึงจะเบรกอยู่ ดังนั้นการวัดมวลที่ถูกต้องจะทำให้เกิดความปลอดภัยในการออกแบบรถ หรือการฉีดยาที่ต้องมีความละเอียดมาก เป็นต้น ซึ่ง ดร.สิวินีย์กล่าวว่า ตัวอย่างเหล่านี้คือความสำคัญของมาตรวิทยาที่แฝงอยู่ในชีวิตประจำวันของเรา

อย่างไรก็ดี คาดว่าชาวโลกจะได้ร่างนิยามใหม่ของหน่วยวัดมวลนี้ ออกมาในเดือน ต.ค. 2011 แต่จะมีการลงคะแนน เพื่อตัดสินใจยอมรับมาตรฐานกิโลกรัมใหม่ในช่วงปี 2014-2015.