นักวิทยาศาสตร์ ใช้ “อุณหภูมิ” ในการบอกหรือวัดปริมาณพลังงานที่มีในสสาร เช่น เรารู้ว่าถ้าอากาศร้อน (คือ มีอุณหภูมิสูง) โมเลกุลในอากาศจะมีพลังงานจลน์มาก และอากาศที่เย็น (คือ มีอุณหภูมิต่ำ) จะมีโมเลกุลที่มีพลังงานจลน์น้อย
ดังนั้นการทำให้ระบบใดเย็นลง คือการสกัดพลังงานของโมเลกุลออกจากระบบนั้น แล้วถ่ายเทพลังงานไปที่อื่น
นักวิทยาศาสตร์ใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า เทอร์โมมิเตอร์ซึ่งตามปรกติทำด้วยของเหลวในการวัดอุณหภูมิ
นักประวัติวิทยาศาสตร์ได้พบว่า ชาวอิตาลีมีการใช้อุปกรณ์บอกอุณหภูมิอย่างหยาบๆ ตั้งแต่ปลายคริสต์ศตวรรษที่ 16 จนกระทั่งปี 1610 (รัชสมัยสมเด็จพระเอกาทศรถ) ได้มีคนนำสเกลที่เป็นตัวเลขไปแปะติดใกล้อุปกรณ์ทำให้สามารถอ่านการเปลี่ยนแปลงของระดับน้ำในหลอดได้ ในปี 1611 Bartolomeo Telioux แห่ง Rome ได้วาดภาพของเทอร์มิโนเตอร์ในหนังสือที่เขาเรียบเรียง ซึ่งเอกสารชิ้นนั้นยังอยู่ที่ห้องสมุด Bibliotheque de l’ Arsenal ในกรุงปารีส เพราะ Telioux ไม่เข้าใจการทำงานของอุปกรณ์ ดังนั้น เขาจึงไม่ได้รับการยกย่องว่าเป็นผู้ประดิษฐ์เทอร์โมมิเตอร์
ในหนังสือ “A History of the Thermometer and Its Uses in Meteorology” ที่ W.E Knowles Middleton เรียบเรียง และจัดพิมพ์โดย John Hopkins Press, Baltimore ในปี 1966 ผู้เขียนได้ระบุว่า คนที่ประดิษฐ์เทอร์โมมิเตอร์เป็นคนแรก มิใช่ Galileo Galilei และมิใช่แพทย์ชาวเวลส์ชื่อ Robert Fludd หรือนักประดิษฐ์ชาวเนเธอร์แลนด์ชื่อ Cornelius Drebbel แต่เป็นชายชาวอิตาลีคนหนึ่งชื่อ Santorio Santorre หรือที่มีชื่อเป็นภาษาละตินว่า Sanctorius ผู้ได้เคยเรียนแพทย์ที่มหาวิทยาลัย Padua (อาจเป็นศิษย์ของ Galileo) และหลังสำเร็จการศึกษาเขาได้เป็นอาจารย์สอนที่นั่นในปี 1611 (อันเป็นปีที่ Galileo ได้ลาออกเพื่อไปเป็นอาจารย์ประจำที่มหาวิทยาลัย Florence)
ในปีต่อมาคือปี 1612 Santorius ได้นำอุปกรณ์วิทยาศาสตร์ของเขาไปใช้ในการรักษาคนไข้เป็นครั้งแรก เมื่อเขาอ่านระดับน้ำในเทอร์โมมิเตอร์เป็นตัวเลข หลังจากที่ได้ให้คนไข้ใช้มือสัมผัสเทอร์โมมิเตอร์เป็นระยะเวลาหนึ่ง
ถึงปี 1644 เมื่อนักวิทยาศาสตร์เริ่มรู้ว่า อากาศมีความดัน จึงมีคนประดิษฐ์บาโรมิเตอร์ขึ้นใช้ในการวัดความดันอากาศบ้าง ในปี 1643 โดยใช้หลักการเดียวกับเทอร์โมมิเตอร์ว่าเวลาอุณหภูมิเพิ่ม ความดันอากาศจะเพิ่มตาม ด้านท่าน Grand Duke of Tuscany หรือ Ferdinand ที่ 2 ก็ได้ออกแบบเทอร์โมมิเตอร์ที่ทำด้วยหลอดแก้วปลายปิด และภายในบรรจุของเหลวหลายชนิดที่มิใช่น้ำ สำหรับวัดอุณหภูมิตั้งแต่ 0 องศาถึง 50 องศา
ลุถึงปี 1660 นักประดิษฐ์ได้คิดใช้ของเหลวชนิดอื่นแทนน้ำ และพบว่าได้ผลดีกว่า เพราะน้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0 องศาจึงไม่สามารถใช้อ่านอุณหภูมิที่ต่ำกว่านั้นได้ ในขณะที่ของเหลวบางชนิดยังคงสภาพเป็นของเหลวอยู่ นักประดิษฐ์บางคนได้คิดใช้ปรอทแทนน้ำ แต่หลังจากที่เวลาผ่านไประยะหนึ่งก็เลิกใช้
บรรดานักวิทยาศาสตร์ในสมัยปลายคริสต์ศตวรรษที่ 17 และต้นคริสต์ศตวรรษที่ 18 หลายคนได้เข้ามามีบทบาทในการประดิษฐ์เทอร์โมมิเตอร์เพื่อใช้เป็นอุปกรณ์วัดอุณหภูมิ บุคคลเหล่านั้นได้แก่ Robert Hooke, Christopher Wren, Robert Boyle, Isaac Newton, Edmond Halley, Christiaan Huygens และ Edmé Marriotte โดยใช้ของเหลวชนิดต่างๆ (เช่น Newton ใช้น้ำมันลินสีด) และต่างคนต่างใช้อุณหภูมิอ้างอิงที่ไม่เหมือนกัน เช่น ใช้จุดหลอมเหลวของเนย หรืออุณหภูมิอากาศในถ้ำ เป็นต้น ส่วนช่วงกว้างของสเกลอุณหภูมิก็ไม่เท่ากัน ตามแต่ผู้ประดิษฐ์จะพอใจ ด้วยเหตุนี้เทอร์โมมิเตอร์มาตรฐานจึงไม่มีใช้
ในระหว่างปี 1754-1831 โลกมีเทอร์โมมิเตอร์ที่นิยมใช้ 2 ชนิดและเป็นเทอร์โมมิเตอร์ที่มีประสิทธิภาพ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ชาวเดนมาร์กกับชาวเยอรมันเป็นคนออกแบบ คือ แบบ Romer กับแบบ Fahrenheit สำหรับแบบแรกนั้นนักดาราศาสตร์ชาวเดนมาร์กชื่อ Ole Romer (ผู้วัดความเร็วแสงได้เป็นคนแรก) เป็นคนประดิษฐ์ขึ้นในปี 1702 และได้กำหนดให้จุดเดือดของน้ำอยู่ที่อุณหภูมิ 60 องศา ส่วนจุดเยือกแข็งของน้ำอยู่ที่อุณหภูมิ 7.5 องศา
ในปี 1708 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันคนหนึ่งซึ่งไปเยี่ยม Romer เพื่อเปรียบเทียบเทอร์โมมิเตอร์ของ Romer กับเทอร์โมมิเตอร์ที่ตนออกแบบ การเปรียบเทียบเทคนิคการวัดอุณหภูมิได้ชักนำให้ Romer เปลี่ยนจุดเยือกแข็งของน้ำไปเป็นที่อุณหภูมิ 8 องศา
ในปี 1717 Daniel Fahrenheit นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันใช้เทอร์โมมิเตอร์ปรอทในการกำหนดอุณหภูมิของร่างกายคนปรกติให้มีค่า 96 องศา และให้เกณฑ์ล่างของเทอร์โมมิเตอร์มีค่า 32 องศา ซึ่งตัวเลข 32 นี้ได้จากการเอาอุณหภูมิ 8 องศาของ Romer คูณด้วย 4 และ Fahrenheit ได้กำหนดให้จุดเดือดของน้ำเป็นเกณฑ์บน ว่าเท่ากับ 212 องศา อุณหภูมิ 212 องศาจึงเป็นเกณฑ์บนของเทอร์โมมิเตอร์แบบ Fahrenheit
ด้าน Anders Celsius ซึ่งเป็นศาสตราจารย์ดาราศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัย Uppsala ในสวีเดนตั้งแต่ปี 1730 ได้กำหนดจุดเดือดของน้ำเป็น 0 องศา และจุดเยือกแข็งของน้ำเป็น 100 องศา แต่เมื่อ Carl von Linné หรือ Linnaeus ย้ายมาเป็นอาจารย์สอนชีววิทยาที่มหาวิทยาลัย Uppsala ท่าน Linné ไม่ชอบตัวเลขที่ Celsius กำหนดเลย จึงกำหนดใหม่โดยให้เรียกจุดเยือกแข็งของน้ำว่า 0 องศา ส่วนจุดเดือดของน้ำมีค่าเป็น 100 องศา คือได้กลับสเกลที่ Celsius กำหนดในปี 1745 จากบนมาเป็นล่าง และจากเกณฑ์ล่างขึ้นไปเป็นเกณฑ์บน ทั้งนี้หลังจากที่ Celsius ได้เสียชีวิตไปแล้ว จากนั้น Linné ก็ใช้อุณหภูมิเซนติเกรดเป็นดัชนีบอกอุณหภูมิของเรือนกระจกที่ Linné ทำงานด้วย
นับตั้งแต่ปี 1948 เป็นต้นมา วงการวิทยาศาสตร์ก็ได้ตกลงให้ใช้อุณหภูมิเซลเซียสเป็นอุณหภูมิมาตรฐานตามที่ Celsius กำหนด โดยให้อุณหภูมิของจุดเยือกแข็งของน้ำเป็น 0°C และจุดเดือดของน้ำเป็น 100°C และแบ่งสเกลระหว่างจุดเดือดกับจุดเยือกแข็งของน้ำเป็น 100 ช่องเท่าๆ กัน
ย้อนอดีตไปถึงปี 1848 เมื่อนักฟิสิกส์ชื่อ William Lord Kelvin ได้ปรารภถึงเทคนิคการวัดอุณหภูมิว่า เทอร์โมมิเตอร์ต้องมีมาตรฐานอันเป็นที่ยอมรับในระดับสากล จึงได้เสนอให้อุณหภูมิ -273° เซลเซียสเป็นอุณหภูมิศูนย์องศาสัมบูรณ์ และให้ทุกองศา Kelvin ที่เพิ่มมีค่าเท่ากับ 1 องศาเซลเซียส สเกลการวัดอุณหภูมิในระบบนี้จึงเรียกสเกลเคลวิน
ถึงปี 1968 ที่ประชุม General Conference on Weights and Measures จึงได้เปลี่ยนหน่วยอุณหภูมิเป็น Kelvin เฉยๆ โดยไม่มีคำว่าองศา (และใช้สัญลักษณ์ K)
ในปี 2005 คณะกรรมการมาตรการวัดนานาชาติ The Comité International des Poids et Measures (CIPM) ได้กำหนดค่า Kelvin ใหม่ เพราะค่าที่กำหนดในปัจจุบันเวลานำไปใช้วัดอุณหภูมิที่ต่ำกว่า 20K และสูงกว่า 1300K ไม่ได้ผลดี CIPM จึงกำหนดให้ Kelvin เป็นสเกลอุณหภูมิของพลังงาน 1 จูลที่ได้จากการคำนวณโดยการใช้ค่าคงตัว Boltzmann = 1.3806505 x 10-23 จูล/K
ในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 7 กุมภาพันธ์ 2015 นักประดิษฐ์ Yihua Gao และ Yoshio Bando แห่ง National Institute for Materials Science ที่เมือง Ibaraki ในญี่ปุ่นได้รายงานความสำเร็จในการประดิษฐ์เทอร์โมมิเตอร์ขนาดจิ๋วที่สุดในโลก โดยใช้ท่อคาร์บอนนาโนที่มีความยาวน้อยกว่าความกว้างของเส้นผมของคนประมาณ 10 เท่า และภายในมีโลหะ gallium ที่สามารถขยายตัว และหดตัวได้ เวลาอุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ในช่วง 50 ถึง 500 องศาเซลเซียส
การเป็นเทอร์โมมิเตอร์ที่เล็กสุดยอดนี้ เวลาใช้อ่านอุณหภูมิ ผู้อ่านต้องใช้กล้องจุลทรรศน์แบบ Scanning Electron Microscope จึงจะอ่านสเกลเห็น
ส่วนเวลาจะวัดอุณหภูมิระดับ 1 นาโนเคลวิน (10-9 องศา) นั้น นักฟิสิกส์มิได้ใช้เทอร์โมมิเตอร์แบบที่ชาวบ้านทั่วไปใช้ แต่ใช้เทคนิคที่เรียกว่า laser cooling คือ การทำให้ระบบอะตอมเย็นลง โดยใช้เลเซอร์ยิงกลุ่มอะตอมให้รับอนุภาค photon ของเลเซอร์เข้าไป จากนั้นกลุ่มอะตอมก็จะคาย photon ออกมา ในทิศทางอื่นที่มิใช่ทิศที่มันรับเข้าไป เพราะ photon ของแสงที่กระเจิงไปนี้มีความยาวคลื่นสั้นกว่าคลื่นแสงที่มันรับเข้าไป มันจึงมีพลังงานมากกว่าพลังงานของ photon ที่มันรับ และเมื่อพลังงานของระบบ (อะตอมกับแสง) จะต้องไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นเมื่อ photon ที่หนีไปมีพลังงานมาก อะตอมที่เหลืออยู่จึงต้องมีพลังงานจลน์น้อยลง นั่นคือเคลื่อนที่ช้าลง และอุณหภูมิของอะตอมก็จะลดตาม
เมื่อ photon เล็ดรอดหนีไปมากขึ้นๆ กลุ่มอะตอมก็จะเคลื่อนที่ช้าลงๆ อุณหภูมิของกลุ่มอะตอมก็จะลดลงๆ และความหนาแน่นของกลุ่มอะตอมก็จะมากขึ้นๆ และอะตอมจะชนกันมากขึ้น แต่ไม่เคลื่อนที่เร็วเกินไปจนทำให้นักฟิสิกส์สามารถใช้สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มไม่สม่ำเสมอกักขังอะตอมไม่ให้หนีไปไหนมาไหนได้
ในการทดลองของ Wolfgang Ketterle แห่ง Massachusetts Institute of Technology (MIT) ซึ่งทำให้เขาได้รับ 1/3 ของรางวัลโนเบลฟิสิกส์ประจำปี 2001 Ketterle ได้ใช้อะตอมของ sodium ที่มีอิเล็กตรอนในวงนอกสุดเพียงตัวเดียว ดังนั้นอะตอมจึงมีโมเมนต์แม่เหล็ก (magnetic moment) ที่ทำหน้าที่เสมือนเป็นแท่งแม่เหล็กขนาดจิ๋ว ด้วยเหตุนี้เวลาใช้สนามแม่เหล็กกระทำต่อกลุ่มอะตอมนี้ สนามแม่เหล็กจะผลักกลุ่มอะตอมให้ลอยขึ้นสูง และกักขังให้เกาะกันเป็นกลุ่ม จากนั้น Ketterle ก็ปล่อยอะตอมที่มีพลังงานมากให้เล็ดรอดหนีออกไปจากกลุ่ม โดยใช้สนามแม่เหล็กอีกสนามหนึ่งที่มีความเข้มสูงเพื่อเปลี่ยนพลังงานของโมเมนต์แม่เหล็ก ให้อะตอมที่มีพลังงานมากเล็ดรอดหนีออกไปจากที่กักขัง
ในการวัดอุณหภูมิของกลุ่มอะตอมนี้ นักฟิสิกส์จะวัดขนาดของกลุ่ม เพราะถ้ากลุ่มมีขนาดใหญ่ นั่นแสดงว่า อะตอมมีพลังงานจลน์มาก จนสามารถต่อต้านแรงจากสนามแม่เหล็กได้ หรือใช้อีกวิธีหนึ่ง คือวิธีเปลี่ยนความเข้มสนามแม่เหล็ก เพราะสนามแม่เหล็กมีแรงกระทำต่ออะตอม มีผลทำให้อะตอมแยกจากกัน คือกลุ่มจะขยายตัว และขนาดของกลุ่มจะเพิ่ม วิธีนี้ก็สามารถบอกความเร็วของอะตอมได้ การรู้ความเร็วทำให้รู้อุณหภูมิของมัน หลังจากที่ให้กลุ่มอะตอมขยายตัวในช่วงเวลาหนึ่งแล้ว การวัดขนาดของกลุ่มที่เปลี่ยน ก็จะบอกได้ว่า อุณหภูมิที่ลดไปนั้นมีค่าเท่าไร
อ่านเพิ่มเติมจาก “A History of the Thermometer and Its Uses in Meteorology” ที่ W.E Knowles Middleton เรียบเรียงและจัดพิมพ์โดย John Hopkins Press, Baltimore ในปี 1966
เกี่ยวกับผู้เขียน
สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ สุทัศน์ ยกส้าน ได้ทุกวันศุกร์
