เวลาศึกษาปรากฏการณ์ธรรมชาติ นักวิทยาศาสตร์จะวัดสมบัติต่างๆ ของระบบที่ตนสนใจ เช่น ระยะเวลาที่เกิดเหตุการณ์ เวลา มวลขององค์ประกอบ ระยะทางที่เกี่ยวข้อง อุณหภูมิของระบบที่เปลี่ยนแปลงไป ฯลฯ จากนั้นก็จะส่งสารเกี่ยวกับข้อมูลของสิ่งที่วัดได้นี้ให้นักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ทราบ เพื่อยืนยันความถูกต้อง หรือเพื่อให้ตรวจสอบหาที่ผิดพลาด และในการบอกค่าปริมาณที่วัดได้นั้น นักวิทยาศาสตร์ต้องบอกค่าที่เป็นตัวเลขพร้อมกับหน่วยที่ใช้วัด เช่น วัดเวลาได้ 10 ปี หรือวัดระยะทางได้ 3 เมตร นั่นคือ ในการบอกปริมาณของสิ่งต่างๆ เราจำเป็นต้องบอกค่าที่วัดได้กับหน่วยที่ใช้วัด ซึ่งอาจเขียนเป็นสมการได้ว่า
ปริมาณ = ตัวเลข [หน่วย]
อาทิเช่น มวล = 100 กิโลกรัม เป็นต้น และถ้าหน่วยวัดเป็นตัน ตัวเลขที่คู่กับหน่วยวัดก็จะเป็น 0.1 คือ มวล = 0.1 ตัน
ดังนั้น หน่วยจึงมีความสำคัญมากในการสื่อสาร จนทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องระบุทุกครั้งไป
หน่วยวัดที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ในระยะเริ่มแรก มักถูกกำหนดโดยธรรมชาติและสิ่งแวดล้อม เช่น โลก น้ำ เทียนไข ฯลฯ เช่นให้ระยะทาง 1 เมตร คือ ความยาว 1/10,000,000 ของระยะทางที่วัดจากขั้วโลกเหนือลงมาตามเส้นแวง จนถึงเส้นศูนย์สูตร ซึ่งเป็นเรื่องที่ทำให้ไม่เป็นมาตรฐาน เพราะโลกไม่กลม และเปลือกทวีปขรุขระคือไม่สม่ำเสมอ เป็นทะเล ภูเขา หรือได้กำหนดให้ 1 วินาที คือ 1/86,400 ของเวลาที่โลกหมุนรอบตัวเอง ซึ่งก็ไม่คงตัวเช่นกัน เพราะวันหนึ่งๆ บนโลก นานไม่เคยเท่ากัน สืบเนื่องจากการที่โลกหมุนช้าลงทุกวัน
หลังการปฏิวัติครั้งใหญ่ในฝรั่งเศส รัฐบาลของคณะปฏิวัติได้จัดตั้งคณะกรรมการควบคุมมาตรฐานการชั่งตวงวัดขึ้น เพื่อให้โลกใช้ระบบเมตริกในการวัด ท่านประธานของคณะกรรมการชุดนี้คือ Joseph-Louis Lagrange โดยมีคณะกรรมการซึ่งได้แก่ Pierre-Simon Laplace กับ Gaspard Monge หลังจากที่ได้กำหนดมาตรฐานของระยะทาง เวลา และมวลแล้ว ท่านเอกอัครราชทูตสหรัฐฯ ประจำฝรั่งเศสชื่อ Thomas Jefferson ได้รู้สึกประทับใจในการมีระบบที่เป็นมาตรฐานมาก จึงได้พยายามชักนำให้อเมริกาหันมาใช้ระบบเมตริกแทนระบบอังกฤษ แต่ไม่สำเร็จ จนกระทั่งปี 1866
ในเวลาต่อมา เมื่อทุกคนตระหนักได้ว่า มาตรฐานของหน่วยวัดที่ใช้ยังมิได้มีความเป็นมาตรฐานนัก สมาคมวิทยาศาสตร์ทั่วโลกจึงได้กำหนดหน่วยวัดมาตรฐานใหม่ เช่น เซลล์ไฟฟ้ามาตรฐาน ความต้านทานมาตรฐาน ความสว่างมาตรฐาน ฯลฯ แต่สิ่งมาตรฐานเหล่านี้ล้วนเป็นสสารที่มนุษย์สร้างขึ้น จึงไม่มีวันที่จะมีสมบัติเหมือนกัน ในทุกประเด็นและทุกครั้งที่คนสร้างเป็นคนละคนกัน หรือแม้แต่จะให้คนๆ เดียวสร้างก็ไม่เหมือนเดิม นอกจากนี้คำจำกัดความบางคำก็เป็นเรื่องเหลวไหล คือ ไม่มีใครสามารถสร้างได้ เช่น กำหนดให้กระแสไฟฟ้า 1 เมตรแอมแปร์เป็นกระแสไฟฟ้าที่ไหลในเส้นลวดตัวนำสองเส้นที่มีความยาวอนันต์ (คือ ยาวไม่มีที่สิ้นสุด) และลวดมีพื้นที่ภาคตัดขวางเล็กมาก (คือ รัศมีของลวดเข้าใกล้ศูนย์) โดยให้ลวดทั้งสองนี้วางขนานกัน และอยู่ในสุญญากาศ ซึ่งถ้าทำ “ได้” จะมีแรงกระทำระหว่างลวด เท่ากับ 2x10-7 นิวตัน/ความยาวของลวด 1 เมตร (คือ ทุกความยาว 1 เมตรของลวด จะมีแรงกระทำ 2x10-7 นิวตัน)
การให้ค่ามาตรฐานกระแสไฟฟ้า 1 แอมแปร์เช่นนี้ เป็นเรื่องที่ไม่มีใครสร้างได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถทำให้ใครมีกระแสไฟฟ้า 1 แอมแปร์ในครอบครอง
ถึงปี 1960 ระบบหน่วยวัดจึงเริ่มมีความเป็นมาตรฐานมากขึ้นโดยเป็นระบบ SI (จากคำเต็ม Systéme International d’ Unites) ของการประชุมทั่วไปว่าด้วยการชั่งตวงวัด (General Conference for Weights and Measures CGPM ที่ Paris และได้มีการเพิ่มหน่วยโมลเป็นปริมาณของสสารเข้ามาเป็นหน่วยวัดพื้นฐานอีกหน่วยหนึ่ง ส่งผลให้โลกวิทยาศาสตร์มีหน่วยวัดที่ประกอบด้วยหน่วยวัดพื้นฐาน 7 หน่วย ได้แก่
1. หน่วยวัดความยาว คือ เมตร (metre, m) ซึ่งมีนิยามว่า ระยะทางที่แสงเดินทางไปได้ในสุญญากาศ ในเวลา 1/299,792,458 วินาที (299,792,458 เมตร/วินาที คือ ความเร็วของแสงในสุญญากาศ ซึ่งเป็นค่าคงตัว ที่ไม่มีวันเปลี่ยนแปลง)
2. หน่วยวัดเวลา คือ วินาที (second, s) ซึ่งมีคำจำกัดความว่า เป็นเวลาที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจำนวน 9,192,631,770 ลูกใช้ในการเปลี่ยนระดับไฮเพอร์ไฟน์ 2 ระดับในอะตอม Caesium – 133 (Cs133)
3. หน่วยวัดอุณหภูมิ คือ เคลวิน (Kelvin, k) ซึ่งถูกกำหนดให้เท่ากับ 1/273.16 ของจุดสามสถานะ (triple point) ของน้ำ
4. หน่วยวัดกระแสไฟฟ้า คือ แอมแปร์ (ampere, A) เป็นปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลในลวด 2 เส้นที่มีความยาวอนันต์ (คือไม่มีที่สิ้นสุด) และมีพื้นที่ภาคตัดขวางที่น้อยนิด (คือ ใกล้ศูนย์) โดยให้ลวดทั้งสองนั้นวางตัวขนานกัน 1 เมตร ในสุญญากาศ แล้วทำให้เกิดแรง 2x10-7 นิวตัน/ความยาวลวด 1 เมตร
5. หน่วยวัดความเข้มของการส่องสว่าง คือ แคนเดลา (Candela, cd) ซึ่งมีคำจำกัดความว่าเป็นความเข้มการส่องสว่าง ในทิศที่กำหนดจากแหล่งกำเนิดแสงที่มีความยาวคลื่นเดียว และมีความถี่ 540 x 1012 เฮริทซ์
6. หน่วยของปริมาณสาร คือ โมล (mole, mol) ซึ่งถูกกำหนดให้มีองค์ประกอบเป็นอะตอมของคาร์บอน 12 ที่มีมวล 0.012 กิโลกรัม
7. หน่วยของมวล คือ กิโลกรัม (kilogram, kg) ที่ถูกกำหนดให้เป็นมวลรูปทรงกระบอกที่ทำด้วยโลหะผสมระหว่าง platinum และ iridium ซึ่งถูกเก็บรักษาอยู่ที่เมือง Sevres ในประเทศฝรั่งเศส
และเมื่อวันที่ 16-30 ตุลาคม 2017 ที่ผ่านมานี้ได้มีการประชุมของ International Bureau of Weights and Measures ที่กรุงปารีสอีกครั้งหนึ่ง เพื่อทำข้อตกลงเกี่ยวกับคำจำกัดความใหม่ของหน่วยวัดมาตรฐาน เพื่อนำเสนอต่อ General Conference of Weights and Measures ซึ่งมีหน้าที่รับผิดชอบเกี่ยวกับการใช้หน่วย SI ทั้งหมด ซึ่งจะมีการประชุมกันระหว่างเดือนพฤศจิกายน ค.ศ.2018 เพื่อให้คนทั่วโลกสามารถนำไปใช้ได้ตั้งแต่เดือนพฤษภาคม ค.ศ.2019 เป็นต้นไป
การมีหน่วยวัดมาตรฐานใหม่จะไม่มีผลกระทบใดๆ ต่อการซื้อขายสิ่งของในร้านสะดวกซื้อ หรือในตลาด แต่ในอนาคต (เกินยุค 4.0) การเปลี่ยนแปลงคำจำกัดความของหน่วยวัดจะมีผลกระทบต่อวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีมาก เพราะจะทำให้การวัดทุกรูปแบบมีความเที่ยงตรง แม่นยำ และผิดพลาดน้อยที่สุด ไม่ว่าใครจะวัดอะไร ที่ใด และ ณ เวลาใด เพราะทุกคนได้กำหนดให้หน่วยวัดมาตรฐานให้ไม่ขึ้นกับสิ่งที่มนุษย์สร้างอีกต่อไป แต่ให้ขึ้นกับสมบัติของอะตอมและควอนตัม เพราะสมบัติเหล่านี้ไม่ขึ้นกับสภาพแวดล้อมเลย
เช่น หน่วยกิโลกรัมซึ่งเป็นหน่วยของมวลที่เดิมนักวิทยาศาสตร์เคยกำหนดให้เป็นมวลของโลหะผสมที่ทำจาก platinum กับ iridium ซึ่งถูกเก็บอยู่ใน “สุญญากาศ” ที่เมือง Sevres ในฝรั่งเศส แต่ในความเป็นจริง มวล 1 กิโลกรัมนั้นไม่เคยมีค่า 1 กิโลกรัมคงตัว เพราะอะตอมที่มีในมวลได้เคลื่อนที่ออก และมวลของโมเลกุล “อากาศ” ที่มีหลงเหลือในภาชนะเก็บ ได้เคลื่อนเข้าไปเกาะติดที่มวล 1 กิโลกรัม มวลจึงไม่เคยมีค่าเท่าเดิมทุกครั้งที่มีการวัด
หน่วยวัดมาตรฐานใหม่ที่ถูกกำหนดเป็นหน่วยวัดพื้นฐานที่นักวิทยาศาสตร์จะใช้ในการศึกษาสรรพสิ่งในเอกภพนั้น เป็นหน่วยที่ใช้ในการกำหนดหน่วยอื่นๆ หน่วยวัดพื้นฐานทั้ง 7 ซึ่งได้แก่
1. หน่วยความยาวเป็นเมตร (อักษรย่อ m) ใช้ความเร็วแสงเป็นหลัก เพราะความเร็วแสงไม่เปลี่ยนแปลง คือ มีค่าคงตัว ไม่ว่าใครจะวัดความเร็วนั้นที่ใด หรือเวลาใด ความเร็วแสงจะมีค่า 299,792,458 เมตร/วินาทีเสมอ และค่านี้ถูกกำหนดให้ไม่มีความผิดพลาดเลย จากนั้นให้ระยะทาง 1 เมตร คือ ระยะทางที่แสงเคลื่อนที่ได้ใน 1/299,792,458 วินาที
(บทความในอนาคตจะกล่าวถึงเทคโนโลยีการวัดเวลาที่นักวิทยาศาสตร์สามารถทำได้ละเอียดสุดเวอร์ถึง 10-18 วินาทีแล้ว โดยใช้นาฬิกาอะตอม (มิใช่ ROLEX หรือ Richard Mille) และนาฬิกาอะตอมบางเรือนเดินถูกต้องถึงขนาดที่ถ้าให้เริ่มเดินตั้งแต่ยุคไดโนเสาร์ครองโลก เมื่อ 100 ล้านปีก่อน จนถึงปัจจุบันนาฬิกาก็จะเดินพลาดไม่เกิน 1 วินาที)
2. หน่วยกระแสไฟฟ้าเป็นแอมแปร์ (อักษรย่อ A) ใช้ค่าประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอนเป็นหลัก โดยให้กระแสไฟฟ้า 1 แอมแปร์คือ ปริมาณกระแสที่เกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจำนวน 1/(1.6021766208 x 10-19) อนุภาคในเวลา 1 วินาที ในที่นี้ 1.6021766208 x 10-19 คูลอมบ์ คือ ค่าประจุของอิเล็กตรอนซึ่งถูกกำหนดให้มีค่าคงตัวตลอดไป
อนึ่ง ในการนับจำนวนอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่นั้น นักฟิสิกส์ใช้อุปกรณ์ชื่อ single-electron pump ในการบังคับให้อิเล็กตรอนในตัวนำ เข้าแถวเรียงหนึ่งในขณะที่ตัวนำนั้นมีอุณหภูมิ 0.01 เคลวิน แล้วนับจำนวนไปจนครบ
3. หน่วยมวลเป็นกิโลกรัม (อักษรย่อ kg) ใช้ค่าคงตัวของ Planck เป็นหลัก โดยให้ 1 กิโลกรัม คือ มวลที่ได้จาก การหารค่าคงตัวของ Planck ด้วย 6.626070040 x 10-34 เมตร/วินาที2 ในที่นี้ 6.626070040 x 10-34 จูลวินาที คือ ค่าคงตัวของ Planck และใช้ตาชั่ง Watt ในการกำหนดมวล 1 กิโลกรัม
4. หน่วยของอุณหภูมิเป็นเคลวิน (อักษรย่อ K) ใช้ค่าคงตัวของโบลซ์มานน์เป็นหลัก โดยให้ 1 องศาเคลวินเป็นอุณหภูมิของพลังงานความร้อนที่เปลี่ยนไป 1.38064852 x 10-23 จูล
ในที่นี้ค่าคงตัว Boltzmann = 1.38064852 x 10-23 จูล/องศาเคลวินเป็นค่าที่ไม่เปลี่ยนแปลง และอุปกรณ์ที่ใช้ในการกำหนดคือ acoustic thermometer
5. หน่วยของเวลาเป็นวินาที (อักษรย่อ s) ใช้ความถี่ในการเปลี่ยนระดับ hyperfine ภายในอะตอม caesium -133 เป็นหลัก ซึ่งตามคำจำกัดความนี้ 1 วินาที คือ เวลาที่ใช้ในการให้คลื่น 9,192,631,770 ลูกเคลื่อนที่ออกมาเมื่อมีการเปลี่ยนระดับพลังงาน hyperfine ของอะตอม caesium-133
6. หน่วยของปริมาณสารเป็นโมล (อักษรย่อ mol) ใช้ค่าคงตัว Avogadro เป็นหลัก โดยให้คำจำกัดความของ 1 โมล ว่าเป็นปริมาณสารที่มีอะตอมจำนวน 6.022140857 x 1023 อนุภาค และใช้ทรงกลมที่ทำด้วยธาตุ silicon บริสุทธิ์เป็นตัวกำหนด
7. หน่วยความเข้มของการส่องสว่างเป็นแคนเดลา (อักษรย่อ cd) ใช้การส่องสว่างของแสงที่มีความถี่เดี่ยว คือ 540 x 1012 เฮริทซ์ โดยให้ 1 candela เป็นความเข้มของแหล่งแสงที่มีความถี่ 540 x 1012 เฮริทซ์ และส่งกำลัง 1 วัตต์ออกมาภายในมุมตัน 683 steradian
การกำหนดหน่วยวัดพื้นฐานในลักษณะนี้จะเป็นที่ยอมรับในระดับสากลทั่วโลกในปี 2019 ว่าเป็นหน่วยวัดมาตรฐาน เพราะมีระดับความแม่นยำสูงสุดและมีความคลาดเคลื่อนน้อยที่สุด ซึ่งนับเป็นเรื่องสำคัญมากในการจะทำให้วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีก้าวหน้า
อ่านเพิ่มเติมจาก The Route to Atomic and Quantum Standards โดย Jeff Flowers ในนิตยสาร Science ฉบับ 19 พฤศจิกายน ปี 2004
เกี่ยวกับผู้เขียน สุทัศน์ ยกส้าน
ประวัติการทำงาน-ราชบัณฑิต สำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์ ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ, นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน, ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" จาก "ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน" ได้ทุกวันศุกร์
