ปี 2018 คือ อีก 3 ปีที่จะถึงนี้ หน่วยมูลฐานทั้ง 7 หน่วย คือ เมตร (m) กิโลกรัม (kg) วินาที (s) แอมแปร์ (A) เคลวิน (K) โมล (mol) และแคนเดลา (cd) จะได้รับการทบทวนเรื่องการกำหนดมาตรฐานอีกครั้งหนึ่ง เพื่อให้เป็นที่ยอมรับว่า หน่วยมูลฐานจะต้องไม่ขึ้นกับวัสดุที่มนุษย์สร้างขึ้น หรือขึ้นกับปรากฏการณ์ต่างๆ ธรรมชาติที่มีค่าไม่แน่นอน คือ จะต้องมีค่าคงตัว ตลอดเวลาและไม่ขึ้นกับสถานที่ใดๆ
เช่น ระยะทาง 1 เมตร แทนที่จะถูกกำหนดให้เป็นระยะทางระหว่างขีดสองขีดบนแท่งวัสดุที่ทำด้วย platinum ผสมกับ iridium ก็ได้ถูกกำหนดให้เป็นระยะทางที่แสงเคลื่อนที่ได้ในเวลา 1/299,792,458 วินาที เพราะความเร็วแสง (c) 299,792,458 เมตร/วินาที เป็นค่าคงตัวธรรมชาติค่าหนึ่ง
หรือเวลา 1 วินาทีที่เดิมถูกกำหนดให้เท่ากับ 1/86,400 ของหนึ่งวันก็ถูกกำหนดใหม่ให้เป็นเวลาที่อิเล็กตรอนของอะตอม caesium-133 เปลี่ยนระดับพลังงาน 9,102,631,770 ครั้ง เป็นต้น
สำหรับมวล 1 กิโลกรัม ซึ่งมีค่า 1,000 กรัม จากเดิมตั้งแต่ปี 1795 ที่เคยถูกกำหนดว่า มวล 1 กรัมคือมวลของน้ำ 1 ลูกบาศก์เซนติเมตรที่ความดันบรรยากาศและที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส คำจำกัดความก็ถูกปรับเปลี่ยนเช่นกัน เพราะได้มีการพบว่า น้ำในทุกสถานที่บนโลกมีความหนาแน่นไม่เท่ากัน (ความหนาแน่น = มวล/ปริมาตร) การวัดค่าหนาแน่นของน้ำกลั่นจากมหาสมุทรทั่วโลกได้ค่าเฉลี่ยเท่ากับ 0.999975 (+/-1) x10-6 กิโลกรัม/ลิตร (1 ลิตร = 1,000 ลูกบาศก์เซนติเมตร) ที่อุณหภูมิ 3.984 องศาเซลเซียส เพราะที่อุณหภูมินี้น้ำมีความหนาแน่นมากที่สุด ภายใต้ความดันปกติ คือ 1 บรรยากาศ นอกจากนี้น้ำที่ใช้จะต้องประกอบด้วยไอโซโทปของ hydrogen-1 และ oxygen-16 เท่านั้น (ตามปกติ hydrogen มี 3 ไอโซโทป คือ H-1, H-2 และ H-3 ส่วน oxygen ก็มีหลายไอโซโทป เช่น O-16, O-17 และ O-18 เป็นต้น) เมื่อเป็นเช่นนี้ น้ำลูกบาศก์เมตรจึงมิได้มีมวล 1 กิโลกรัมอย่างแท้จริง
แม้ความแตกต่างนี้จะมีค่าโดยประมาณเท่ากับมวลของเมล็ดข้าว 1 เมล็ดก็ตาม แต่วงการวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีก็ถือว่า “รับไม่ได้”
ความจริงเกี่ยวกับความไม่สมบูรณ์ของคำจำกัดความ 1 กิโลกรัมนี้ ได้มีความพยายามแก้ไขมานานพอสมควรแล้ว ตั้งแต่ปี 1799 คือ ตั้งแต่เมื่อ Louis Le Fèver-Gineau ได้พบว่า น้ำที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียสมีความหนาแน่นเพียง 99.9265% ของความหนาแน่นที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส นั่นหมายความว่า น้ำที่ 4 องศาเซลเซียสมีความหนาแน่นมากที่สุด จึงเป็นน้ำที่เสถียรที่สุด คือแทบไม่เปลี่ยนความหนาแน่นเลย เมื่ออุณหภูมิและความดันของอากาศภายนอกเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย
ดังนั้น องค์การ International Bureau of Weughts and Measures (BIPM) จึงได้กำหนดมวลมาตรฐานขึ้นใหม่ ในปี 1889 ว่าให้ทำด้วยโลหะผสมระหว่าง platinum กับ iridium ในอัตราส่วน platinum 90% และ iridium 10% โดยน้ำหนัก โดยทำเป็นรูปทรงกระบอกตันที่มีความสูงเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลางคือเท่ากับ 39.17 มิลลิเมตร ทั้งนี้ก็เพื่อให้ทรงกระบอกมีพื้นที่ผิวน้อยที่สุด สำหรับเหตุผลที่ใช้ platinum นั้นก็เพราะโลหะไม่เป็นสนิมง่าย มีความหนาแน่นมาก สามารถนำไฟฟ้าและความร้อนได้ดี ไม่เป็นสารแม่เหล็ก ส่วน iridium ที่ใช้เจือนั้นก็เพื่อช่วยเพิ่มความแข็งแกร่งของ platinum
หลังจากที่ได้มวลมาตรฐานแล้ว องค์การ BIPM ก็ได้นำมวลไปเก็บที่ Pavillon de Breteuil ในเมือง Sèvres นอกกรุงปารีสโดยมีครอบแก้วกันฝุ่นละออง ความชื้นและสิ่งแปลกปลอมที่จะเข้าไปรบกวน เพื่อให้เป็นมวลมาตรฐานให้คนทั้งโลกใช้อ้างอิง จากนั้นได้จัดทำสำเนาของมวลนี้ขึ้นมาอีกหลายมวลเพื่อให้ห้องปฏิบัติการทั่วโลกนำไปใช้ในการเปรียบเทียบมวลต่างๆ ในประเทศของตน (ประเทศไทยเราก็มี “มวลมาตรฐาน” ใช้เช่นกัน)
ดังกล่าวแล้วว่า ตามหลักการ มวลมาตรฐาน 1 กิโลกรัมจะต้องมีค่า 1 กิโลกรัมตลอดเวลา และตลอดไป แต่การทดสอบวัดค่ามวลมาตรฐานในห้องปฏิบัติการทั่วโลก เช่น ที่สหรัฐอเมริกากลับพบว่า ในปี 1889 มวลมาตรฐานของอเมริกามีค่าน้อยกว่ามวลมาตรฐานที่ปารีสประมาณ 39 ไมโครกรัม และอีก 59 ปีต่อมา มวลทั้งสองก็มีค่าแตกต่างกัน 19 ไมโครกรัม ส่วนมวลมาตรฐานอื่นๆ ก็มีค่าแปรปรวนในทำนองเดียวกัน
แม้แต่มวลมาตรฐานที่ปารีสก็มีค่าไม่คงตัว เพราะมวลถูกเก็บในภาชนะที่มีอากาศ จึงสามารถดูดกลืนโมเลกุลหรืออะตอมที่แปลกปลอม (nitrogen, oxygen ฯลฯ) เข้าไปติดที่ผิวของมวลมาตรฐานตลอดเวลา ทำให้เจ้าหน้าที่ต้องทำความสะอาดเป็นครั้งคราว โดยใช้ผ้าขนสัตว์เนื้อนิ่มที่ถูกนำไปแช่ในสารละลาย ether และ ethanol เช็ด จากนั้นนำไปทำความสะอาดด้วยไอน้ำกลั่นบริสุทธิ์ แล้ววางทิ้งไว้ 7-10 วัน ก่อนนำไปเก็บในครอบแก้ว ซึ่งเจ้าหน้าที่ก็ได้พบว่า กระบวนการทำความสะอาดเช่นนี้ทำให้มวลของมวลมาตรฐานมีค่าลดลงประมาณ 5-60 ไมโครกรัม และเมื่อทำความสะอาดอีกเป็นครั้งที่ 2 มวลก็จะหายไปอีก 10 ไมโครกรัม แม้แต่เวลาวางในครอบแก้วโดยไม่แตะต้องเลยมวลก็จะเพิ่ม เพราะมวลมาตรฐานจะดึงดูดโมเลกุลจากอากาศแวดล้อม ทำให้มวลเพิ่มประมาณ 1.11 ไมโครกรัม/เดือน แต่หลังการทำความสะอาดมวลก็จะลดในปริมาณ 1 ไมโครกรัม/ปี
เมื่อสภาพแวดล้อมที่เก็บมวลมาตรฐานในแต่ละสถานที่ไม่เหมือนกัน มวลมาตรฐานจึงมีค่าแตกต่างกัน นั่นคือ ไม่มีใครในโลกมีมวลมาตรฐาน 1 กิโลกรัมที่แท้จริง
เพราะมวลมีความสำคัญในด้านเทคโนโลยีและวิทยาศาสตร์จากการที่เราใช้ค่าของมวลในการวัดน้ำหนัก สำหรับนักวิทยาศาสตร์เอง มวลคือปริมาณที่ใช้บอกปริมาณความเฉื่อยของวัตถุ ซึ่งนำไปสู่การให้คำจำกัดความหน่วยของแรง คือ นิวตัน ว่าแรง 1 นิวตัน คือ แรงที่ทำให้มวล 1 กิโลกรัมมีความเร่ง 1 เมตร/วินาที2 ดังนั้น ถ้ามวลมิได้มีค่ามาตรฐาน แรง 1 นิวตันก็ไม่เป็นมาตรฐานด้วย ซึ่งจะมีผลกระทบต่อไปถึงหน่วยของความดันคือ ปาสกาล ซึ่งมีจำกัดความว่า 1 ปาสกาล คือ ความดันที่แรง 1 นิวตันกระทำในแนวตั้งฉากต่อพื้นที่ 1 ตารางเมตร ดังนั้นถ้าแรงเปลี่ยน ความดันปาสกาลก็ต้องเปลี่ยนตาม หรือหน่วยพลังงานที่เป็นจูลซึ่งถูกกำหนดว่า 1 จูลหรือพลังงานที่ได้จากแรง 1 นิวตันสามารถเลื่อนอนุภาคไปได้ 1 เมตร นั่นแสดงว่า หน่วยพลังงานก็ถูกกระทบกระเทือนไปด้วย
ด้วยเหตุนี้เราจึงเห็นได้ว่า ถ้าไม่มีมวลมาตรฐาน หน่วยวัดต่างๆ ก็ไม่เป็นมาตรฐาน คือ ต่างคนจะมีค่าวัดที่ได้แตกต่างกัน และไม่มีคำตอบใดเป็นมาตรฐานที่ทุกคนยอมรับ
ลุถึงเดือนตุลาคม 2010 องค์การ International Committee for Weights and Measures (CIPM) มีมติเปลี่ยนคำจำกัดความของมวลมาตรฐานว่าให้ขึ้นกับค่าคงตัวพลังก์ (h ซึ่งมีหน่วยเป็น จูลวินาที) กับค่าคงตัวอื่นๆ ของธรรมชาติ (เช่น ความเร็วแสง ค่าประจุ ค่าคงตัว Boltzmann) ซึ่งอาจสร้างได้โดยใช้เทคนิควัดน้ำหนักของวัตถุให้ดีที่สุด แล้วเปลี่ยนค่าน้ำหนักเป็นค่ามวล
เทคนิคที่ใช้ตาชั่งวัตต์ (watt balace) เป็นวิธีหนึ่งที่ใช้หามวลโดยหาแรงไฟฟ้าที่สมดุลกับแรงโน้มถ่วง เพราะแรงไฟฟ้าสามารถวัดได้อย่างละเอียดจากค่าความต่างศักย์ Josephson และความต้านทาน Hall เชิงควอนตัม (quantum Hall effect) ซึ่งสามารถวัดค่าได้อย่างละเอียดมาก แล้วใช้ gravimeter วัดค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง ณ สถานที่ทดลอง แต่ค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงนี้ก็ไม่คงตัว เพราะขึ้นกับฤดู ตำแหน่งของดวงจันทร์ ฯลฯ และนี่คือข้อจำกัดที่ทำให้มวลมาตรฐานมิได้มีมาตรฐาน
นอกจากนี้การใช้ watt balance เป็นอุปกรณ์วัดมวลมาตรฐานก็ยังมีข้อเสียอีกประการหนึ่งคือ มันเป็น ultrahigh technology จึงมีห้องทดลองในไม่กี่ประเทศเท่านั้นในโลกที่สามารถสร้างมวลมาตรฐานได้ เมื่อข้อจำกัดเป็นเช่นนี้ วงการวิทยาศาสตร์จึงจำเป็นต้องหาวิธีสร้างมวลมาตรฐานรูปแบบอื่น เช่น ใช้วิธีนับจำนวนอะตอมที่มีในมวล 1 กิโลกรัมแทน
ณ วันนี้วงการวิทยาศาสตร์ได้ตกลงให้คำจำกัดความของ 1 โมล (mole) ว่าคือจำนวนอะตอมที่มีในมวล 12 กรัมของคาร์บอน-12 และจำนวนอะตอมใน 1 โมล คือปริมาณที่เรียกว่า ค่าคงตัว Avogadro ซึ่งมีค่าดีที่สุดในปัจจุบันเท่ากับ 6.02214129(27)x1023 ตัวเลขในวงเล็บ คือ ค่าความคลาดเคลื่อนในเลขทศนิยมสองหลักท้าย
แต่การหาค่าคงตัว Avogadro ก็ถูกจำกัดความแน่นอนด้วยค่าคงตัวพลังก์ ดังนั้น เมื่อใดที่ค่าคงตัวพลังก์สามารถวัดได้แน่นอน ค่าคงตัว Avogadro ก็จะเป็นมาตรฐานมากขึ้น และหากเทคนิคการนับอะตอมของ C-12 เป็นที่ยอมรับ มวลมาตรฐาน 1 กิโลกรัมที่ทำด้วย C-12 บริสุทธิ์ (ไม่มีไอโซโทปอื่น เช่น C-14) ก็จะมีลักษณะเป็นลูกบาศก์ที่ด้านแต่ละด้านมี 84,446,889 อะตอม และมวล 1 กิโลกรัม คือมวลของลูกบาศก์ที่ทำด้วย C-12 84,446,8893 x 250/3 อะตอม
นักวิทยาศาสตร์ยังมีอีกโครงการหนึ่งที่ใช้สร้างมวลมาตรฐานนั่นคือ โครงการ Avogadro ซึ่งจะมีการสร้างทรงกลมที่ทำด้วยอะตอม silicon ให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางยาว 9.36 เซนติเมตร เป็นมวลมาตรฐาน 1 กิโลกรัม
การกำหนดให้ใช้ silicon ในการสร้างมวลมาตรฐานเพราะนักเทคโนโลยีสามารถปลูกผลึก silicon ที่บริสุทธิ์ได้ไม่ยาก และผลึกที่ได้จะไม่มีรอยร้าว หรือรอยแตก ไม่มีตำหนิหรือรูว่างใดๆ ในผลึกเลย อีกทั้งไม่มีไอโซโทปชนิดอื่นใดของ silicon ด้วย (Si-28 มีมวลอะตอม 27.9769265327 แต่ถ้ามี Si-29, Si-30 ปนประมาณ 7.78% การวัดมวลอะตอมด้วย mass spectrometer จะทำให้รู้ค่ามวลอะตอมโดยเฉลี่ย) ดังนั้นถ้าสามารถกำจัด Si-29, Si-30 ได้ เราก็จะได้ทรงกลมที่เป็นมาตรฐานยิ่งขึ้น สำหรับวิธีการหารัศมีของทรงกลมนั้น นักวิทยาศาสตร์ใช้อุปกรณ์ interferometer ซึ่งจะทำให้ค่าผิดพลาดไม่เกิน 0.3 นาโนเมตร
การรู้รัศมีของทรงกลมจะทำให้รู้ปริมาตร (V) จากนั้นถ้าใช้เทคนิคการเลี้ยวเบนด้วยรังสีเอ็กซ์ก็จะรู้ระยะห่างระหว่างอะตอม (192x10-12 เมตร) ซึ่งจะผิดพลาดคลาดเคลื่อนไม่เกิน 3 ใน 109 ส่วน เราจึงรู้ขนาดของอะตอม (v) จากนั้นข้อมูล V/v จะบอกจำนวนอะตอมในทรงกลม
แต่เทคนิคนี้ก็มีข้อจำกัดที่ silicon จะทำปฏิกิริยากับอากาศโดยรอบทำให้เกิด silicon dioxide (quartz) และ silicon monoxide ซึ่งจะทำให้มวลมีค่าเพิ่มเล็กน้อย และนี่ก็คือจุดด้อยของโครงการ Avogadro ดังนั้น การทำความสะอาดทรงกลมทุกครั้งจึงต้องระมัดระวังมาก
ถ้ามวลมาตรฐานเป็นทรงกลมที่ทำด้วย silicon มันก็จะมี silicon จำนวน (1000/27.9769265325) x6.02214179 x 1023 อะตอม
เทคนิคการสร้างมวลมาตรฐานยังมีอีกหลายเทคนิค เช่น เทคนิควัดแรงไฟฟ้า เทคนิคการสะสม ion (ion accumulation) ดังนั้น วงการมาตรวิทยาสากล จึงต้องมีการอภิปรายเกี่ยวกับเรื่องนี้อีกในปี 2018 ว่า เทคนิคใดดีที่สุด
ขณะนี้คณะวิจัยแห่ง Federal Institute of Physical and Technical Affairs ที่เมือง Braunschweig ในเยอรมนีได้อ้างว่า “มวลมาตรฐาน” 1 กิโลกรัมที่ทีมวิจัยสร้างขึ้นมี silicon จำนวน (1000/27.9769325325) x 6.02214179 x 1023 อะตอม
เทคนิคนี้จะยืนหรือจะล้มในอีก 3 ปี เราก็จะรู้คำตอบ
อ่านเพิ่มเติมจาก International Prototype of Kilogram โดย International Bureau of Weights and Measures (BIPM) เดือนมกราคม 2013
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
