xs
xsm
sm
md
lg

20 พฤษภาคม 2019 เป็นวันที่โลกเริ่มใช้คำจำกัดความใหม่ของกิโลกรัม

เผยแพร่:   โดย: สุทัศน์ ยกส้าน

อีก 1 เดือน เตรียมใช้นิยามกิโลกรัมใหม่ (Reuters)
ในวันที่ 20 พฤษภาคม ค.ศ.2019 ที่จะถึงนี้ วงการวิทยาศาสตร์ทั่วโลกจะเริ่มใช้คำจำกัดความใหม่ของหน่วยวัด 4 หน่วย อันได้แก่ กิโลกรัม เมตร วินาที และแอมแปร์อย่างเป็นทางการ (ส่วนอีก 3 หน่วย คือ เคลวิน โมล และแคนเดลานั้น จะประกาศใช้อย่างเป็นทางการในปี 2026)

การตัดสินใจนี้เป็นผลที่ได้จากการประชุมของ General Conference on Weights and Measures (CGPM) ครั้งที่ 26 เมื่อวันที่ 16 พฤศจิกายน ค.ศ.2018 ที่เมือง Versailles ในประเทศฝรั่งเศส เมื่อบรรดาประเทศสมาชิก 60 ประเทศได้มีมติอย่างเอกฉันท์ให้คำจำกัดความหน่วยวัดมาตรฐาน 7 หน่วยขึ้นกับค่าคงตัวต่างๆ ในธรรมชาติอันได้แก่ ความเร็วแสง ค่าคงตัว Boltzmann ประจุของอิเล็กตรอน ค่าคงตัว Planck ฯลฯ มีค่าไม่เปลี่ยนแปลง และไม่มีส่วนที่ผิดพลาดเลย เช่น ความเร็วแสงมีค่าเท่ากับ 294,792,458 เมตร/วินาที พอดิบพอดี โดยจะไม่ใช้สิ่งที่มนุษย์สร้างเป็นหน่วยวัดมาตรฐานอีกต่อไป ดังที่เคยกำหนดให้มีไม้เมตรมาตรฐาน และมวลกิโลกรัมมาตรฐาน ซึ่งในความเป็นจริงสิ่งเหล่านั้นไม่เคยเป็นมาตรฐาน เพราะความยาวของเมตร และน้ำหนักของมวลมีค่าไม่เท่ากันทุกครั้งที่มีการวัด

ตั้งแต่อดีตเวลาคนโบราณต้องการจะสื่อสารถึงกันเรื่องขนาด ปริมาตร พื้นที่ เวลา อุณหภูมิ ระยะทาง ฯลฯ เขาต้องวัด แล้วนำค่าที่ได้มาเปรียบเทียบ และได้พบว่าการติดต่อค้าขายระหว่างคนต่างชาติต่างภาษาได้กลายมาเป็นเรื่องที่ยุ่งและตกลงกันยากมาก เพราะคนแต่ละชาติใช้หน่วยวัดที่แตกต่างกัน เช่น ชาวโรมันใช้หน่วยน้ำหนักเป็น libra (1.728 carats) พ่อค้าที่เดินเรือในทะเล Mediteranean ใช้เมล็ดข้าวสาลีหรือข้าวบาเลย์จำนวน 1,000 เมล็ดเป็นมาตรฐานของหน่วยน้ำหนัก ชาวโรมันนิยมใช้หน่วยวัดระยะทางเป็น uncia โดยให้ความยาวพระบาทของกษัตริย์มีค่าเท่ากับ 12 uncia คนอังกฤษก็ใช้นิ้วเป็นหน่วยของการวัดความยาว โดยกำหนดให้เป็นความกว้างของนิ้วหัวแม่มือของผู้ชาย (1 นิ้วมีค่าประมาณ 2.5 เซนติเมตร) ถึงปี ค.ศ.790 จักรพรรดิ Charlemagne แห่งฝรั่งเศสได้ทรงกำหนดให้ความยาวของพระบาทในพระองค์เป็นหน่วยฟุตมาตรฐาน (32.5 เซนติเมตร) เป็นต้น
สำเนากิโลกรัมต้นแบบที่จัดแสดงภายในการประชุม  General Conference on Weights and Measures  เมื่อ 16 พ.ย.2018 (Reuters)
ในเวลาต่อมาคนอังกฤษได้กำหนดให้ความยาวมาตรฐานเป็น 1 หลาบ้าง นี่คือ ความยาวรอบพระกฤษฎี (เอว) ซึ่งเมื่อเวลาผ่านไปความยาวรอบเอวนี้ก็ไม่คงตัวอีก จนกระทั่งถึงต้นคริสต์ศตวรรษที่ 12 สมเด็จพระเจ้า Henry ที่ 1 จึงทรงกำหนดมาตรฐานความยาว 1 หลาใหม่โดยให้เป็นระยะทางที่วัดจากปลายพระนาสิก (จมูก) ถึงปลายพระอังกุฎ (หัวแม่มือ) การกำหนดหน่วยมาตรฐานเช่นนี้ไม่ได้ให้ความสะดวกแก่คนที่ต้องการใช้เลย เพราะเวลาต้องการจะมีหน่วยวัดมาตรฐานดีต้องไปรบกวนพระราชหฤทัยตลอดเวลา

ดังนั้นในปี 1445 พระเจ้า Henry ที่ 1 จึงทรงบัญชาให้นักออกแบบทำแบบจำลองของหลามาตรฐานขึ้นมา เป็นแท่งตรงยาวที่ทำด้วยเงิน แต่ก็มีพบว่าค่าไม่คงตัวอีก เพราะถ้าเงินที่ใช้มีธาตุอื่นผสม การขยายตัวหรือหดตัวของแท่งหลามาตรฐานก็จะแตกต่างกัน เวลาอุณหภูมิเปลี่ยนไป

นี่จึงเป็นการแสดงให้เห็นว่า อะไรต่างๆ ที่มนุษย์สร้างขึ้น ไม่สามารถนำมาใช้เป็นมาตรฐานได้

สำหรับเรื่องน้ำหนักมาตรฐานก็มีปัญหาในการกำหนดค่าเหมือนกัน ชาวอียิปต์โบราณมีมาตรฐานน้ำหนัก 2 รูปแบบ แบบหนึ่งเป็นน้ำหนักมาตรฐานของฟาโรห์ และแบบสองคือน้ำหนักมาตรฐานของชาวบ้าน ซึ่งฟาโรห์จะทรงเก็บภาษีที่ดินจากชาวบ้านในรูปของผลิตภัณฑ์การเกษตรตามมาตรฐานฟาโรห์ แต่เวลากษัตริย์ทรงประสงค์จะซื้อผลิตผลจากชาวบ้าน พระองค์จะทรงใช้มาตรฐานของเกษตรกรเป็นหลัก เพราะมาตรฐานของฟาโรห์มีค่ามากกว่าของเกษตรกร ดังนั้นเวลามีการแลกเปลี่ยนสินค้า ทรัพย์สินในท้องพระคลังก็จะเพิ่มทุกครั้งไป

ในกรีซโบราณมีการกำหนดให้มวลมีหน่วยเป็น talent ซึ่งเป็นมวลของน้ำที่ใช้ในการเติมไหบรรจุน้ำ (amphora) ของชาวกรีกจนเต็ม นั่นคือ มวลมาตรฐานมีค่าประมาณ 28 กิโลกรัมปัจจุบัน แต่เราก็รู้ว่าไหบรรจุน้ำมีปริมาตรไม่เท่ากันทุกไห ดังนั้นความสับสน และการคดโกงจึงเกิดขึ้นบ่อย
สำเนากิโลกรัมต้นแบบที่จัดแสดงภายในการประชุม  General Conference on Weights and Measures  เมื่อ 16 พ.ย.2018 (Reuters)
สำหรับการวัดพื้นที่ก็วุ่นวายไม่แพ้กัน เช่น ในสมัยโรมันรัฐได้กำหนดให้พื้นที่ 1 ager (คำนี้แปลว่าทุ่งนา และได้แปลงมาเป็น acre ในเวลาต่อมา) เป็นพื้นที่ที่วัว 2 ตัวสามารถไถได้ในเวลา 1 วัน เพราะวัวทุกตัวมีความสามารถไม่เท่ากัน และพื้นที่ๆ ไถก็ให้ความสะดวกสบายในการไถไม่เหมือนกัน ดังนั้น พื้นที่ 1 ager จึงมีค่าที่ขึ้นกับวัว และสภาพของนา

ลุถึงปี 1789 ซึ่งเป็นปีที่ในฝรั่งเศสได้เกิดปฏิวัติครั้งใหญ่โดยมีการล้มเจ้าด้วยการสำเร็จโทษพระเจ้า Louis ที่ 16 สถาบัน French Academy เมื่อได้เห็นความสับสนวุ่นวายของประเทศในทุกๆ ด้าน ว่าไม่มีมาตรฐานใดๆ ที่จะใช้เป็นหลักยึดได้เลย แม้แต่ในฝรั่งเศสเองประชาชนที่อยู่ต่างภาคก็ใช้หน่วยวัดที่แตกต่างกัน เช่น หน่วยระยะทาง 1 lieue ของคนทางภาคเหนือจะยาวประมาณ 3 กิโลเมตร แต่สำหรับคนฝรั่งเศสทางใต้ หน่วยเดียวกันนี้ คือ ระยะทาง 6 กิโลเมตร

คณะปฏิวัติจึงจัดตั้งคณะกรรมการปฏิรูปวิทยาศาสตร์ โดยให้นักวิทยาศาสตร์และนักคณิตศาสตร์ 2 คนที่มีชื่อเสียงระดับโลก คือ Antoine Laurent de Lavoisier กับ Joseph – Louis Lagrange เป็นประธานกับรองประธานของการปฏิรูป คณะกรรมการชุดนี้มีความเห็นพ้องกันว่า เพื่ออำนวยความสะดวกในการใช้และการคำนวณ หน่วยมาตรฐานต้องใช้เลขฐาน 10 โดยใช้คำนำหน้าหน่วยว่า deci = 10-1, centi = 10-2, milli = 10-3, micro = 10-6, nano = 10-9, pico = 10-12 และ femto = 10-15 หรือ deca = 101, kilo = 103, mega = 106, giga = 109, tera = 1012 และ peta = 1015 เป็นต้น

ดังนั้น 1 microgram จึง = 10-6 กรัม และคณะกรรมการได้กำหนดให้ความยาว 1 เมตรมีค่า = 1/10,000,000 ของระยะทางจากขั้วโลกลงมาตามเส้นรุ้งที่ลากผ่านกรุง Paris จนถึงเส้นศูนย์สูตร และเพื่อจะให้ได้ระยะทางมาตรฐาน 1 เมตรเป็นรูปธรรม คณะกรรมการได้ให้นักดาราศาสตร์ 2 คน ชื่อ Jean-Baptiste-Joseph Delambre กับ Pierre-Francois Andre Mechaim และผู้ช่วยชื่อ Francois Arago สร้างอนาคตใหม่ของหน่วยวัดที่เป็นความยาวมาตรฐาน 1 เมตร

คณะสำรวจได้ใช้เวลา 8 ปีในการเดินทางเพื่อวัดระยะทางตามที่กำหนด และได้จำลองความยาว 1 เมตรมาตรฐานเป็นแท่งที่ทำด้วยโลหะ platinum ให้คนทั้งโลกใช้อ้างถึง และได้นำแท่งเมตรมาตรฐานนี้ขึ้นทูลเกล้าถวายจักรพรรดิ Napoleon Bonarparte ซึ่งทำให้พระองค์ทรงปิติโสมนัสมาก เพราะคิดว่าต่อแต่นี้ไปคนทั้งโลกจะยอมรับในสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ฝรั่งเศสทำ เพราะในเวลานั้นจักรวรรดิฝรั่งเศสทรงเรืองอำนาจมาก ดังนั้นการยอมรับก็น่าจะเป็นไปได้มาก

แต่ความจริงหาได้เป็นเช่นนั้นไม่ เพราะนักวิทยาศาสตร์ชาติอื่นมีความเห็นว่าการวัดครั้งนั้นมีจุดบกพร่องมาก ประการสำคัญคือโลกมิได้มีผิวเรียบดังส้ม ค่าที่ได้จากการวัดจึงเป็นค่าประมาณ

ถึงปี 1960 ภาพถ่ายจากดาวเทียม ได้แสดงให้เห็นว่า ระยะทางจากขั้วโลกเหนือถึงเส้นศูนย์สูตร มิใช่เท่ากับ 10,000 กิโลเมตร แต่เป็น 10,002 กิโลเมตร

นักวิทยาศาสตร์จึงต้องหาความยาวมาตรฐาน 1 เมตรใหม่ ลุถึงปี 1983 องค์การมาตรฐานวิทยาจึงได้กำหนดให้ความยาว 1 เมตร เป็นระยะทางที่แสงเดินทางได้ในสุญญากาศ ในเวลา 1/299,792,458 วินาที ซึ่งการวัดเวลาที่ละเอียดระดับ 10-8 วินาทีนี้ เป็นเรื่องที่นักฟิสิกส์ยุคปัจจุบันสามารถทำได้สบายๆ (ปัจจุบันเรามี optical clock ที่สามารถวัดเวลาได้เที่ยงตรงที่สุด คือ เดินผิดพลาดไม่เกิน 1 วินาทีในเวลา 14,000 ล้านปี)

ในส่วนของคำจำกัดความของมวลมาตรฐาน 1 กิโลกรัม ก็ได้รับการปฏิรูปเช่นกัน จากเดิมในปี 1889 ที่มวลมาตรฐาน 1 กิโลกรัมเป็นแท่งทรงกระบอกซึ่งทำด้วยโลหะ platinum ผสมกับ iridium และถูกนำไปเก็บในครอบแก้วที่ภายในเป็นสุญญากาศในห้องเก็บที่เมือง Sevres นอกกรุง Paris ทั้งๆ ที่มวลได้รับการปกป้องเป็นอย่างดี ไม่ให้ฝุ่นละอองเข้าไปจับ และได้มีการจำลองมวลมาตรฐานขึ้นมาอีก 6 มวล การตรวจวัดมวลจำลองใหม่ทั้ง 6 ในเวลาต่อมาได้ให้ผลแตกต่างกันทั้ง 6 มวล นั่นแสดงว่ามวลต้นแบบก็ต้องมีการเปลี่ยนค่าด้วย ทั้งนี้เพราะอะตอมที่อยู่ตามผิวของมวล มีการเคลื่อนที่เข้าออก ดังนั้นมวลมาตรฐานจึงมีค่าไม่คงตัว

ความประหวั่นพรั่นพรึงอีกประการหนึ่งของบรรดานักวิทยาศาสตร์ฝรั่งเศสคือ ถ้ามวลมาตรฐานถูกขโมยไป หรือสถานที่เก็บมวลมาตรฐานถูกระเบิด โลกก็จะปราศจากมวลมาตรฐานในทันที ดังเหตุการณ์ที่เกิดในปี 1834 ที่มวลมาตรฐาน 1 ปอนด์ของอังกฤษ ซึ่งถูกเก็บอยู่ที่ Palace of Westminster ได้ถูกทำลายไป เพราะพิพิธภัณฑ์ที่เก็บมวลถูกไฟเผา

ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงต้องพยายามหาคำจำกัดความของมวลมาตรฐาน 1 กิโลกรัมใหม่ โดยใช้หลักการว่าจะไม่ต้องพึ่งพาหรืออาศัยสิ่งประดิษฐ์ใดๆ แต่ให้ใช้ค่าคงตัวที่มีในธรรมชาติแทน เช่น ค่าคงตัวของ Planck h ซึ่งได้กำหนดให้มีค่าเท่ากับ 6.62607015 x 10-34 กิโลกรัม เมตร2/วินาที เพราะ h เป็นปริมาณที่เกี่ยวกับพลังงานควอนตัม และหน่วยของ h ประกอบด้วยกิโลกรัม เมตร และวินาที ดังนั้น ถ้าสามารถวัดค่า h ระยะทางเมตรและเวลาวินาทีได้อย่างแม่นยำ ก็จะทำให้รู้ค่าของมวลกิโลกรัมในทันที

ในปี 1975 Bryan Kibble และคณะได้เสนอวิธีหาค่ากิโลกรัมมาตรฐาน โดยใช้เทคนิคที่เกี่ยวข้องกับการวิจัย NMR (nuclear magnetic resonance) โดยใช้ตาชั่ง Watt (Watt balance) ซึ่งปัจจุบันนิยมเรียก Kibble balance ที่ทำงานอาศัยกำลังไฟฟ้าต่อต้านกำลังกลศาสตร์ ให้ระบบอยู่ในสมดุล

ตาชั่ง Kibble ประกอบด้วยขดลวดที่แขวนจากแขนของตาชั่ง ซึ่งอยู่ในสนามแม่เหล็กที่มีความหนาแน่นฟลักซ์เท่ากับ B เวลามีการปล่อยกระแสไฟฟ้า I เข้าไปในขดลวด จะเกิดแรงต้านแรงโน้มถ่วง เมื่ออยู่ในสมดุล

mg = BI kc (1)
ในสมการข้างนี้ m คือ มวลของขดลวด, g คือ ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก และ kc คือ ค่าคงตัวที่ขึ้นกับลักษณะและรูปทรงของขดลวด

เมื่อมีการปิดกระแสไฟฟ้า แล้วเคลื่อนขดลวดไปในสนามแม่เหล็กด้วยความเร็ว v จะทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า ที่สามารถหาค่าได้จากสมการ

E = Bv kc(2)

จากสมการ (1) และ (2) ถ้ากำจัด kc ก็จะได้
EI = mgv (3)

ในที่นี้ mgv คือ กำลังกลศาสตร์

EI คือ กำลังไฟฟ้า

ซึ่งค่าต่างๆ เหล่านี้ สามารถวัดได้อย่างแม่นยำ เช่น E วัดได้จากค่าคงตัว Josephson ส่วน I วัดได้จากความต้านทาน Hall เชิงควอนตัม (quantum Hall resistance)

จากนั้นโดยการแทนค่า ความต้านทาน Hall = h/e2
และจากค่าคงตัวกระแส Josephson = 2e/h

ดังนั้นmgv = 4/h

ดังนั้นถ้าวัด h, g และ v ได้ เราก็วัด m ได้

ในภาพรวมนี่เป็นการวัดมวล โดยใช้เทคโนโลยีไฟฟ้า

เมื่อเป็นเช่นนี้ ห้องทดลองใดๆ ในโลกที่มี ตาชั่ง Kibble ใช้ นักฟิสิกส์ที่นั่นก็สามารถวัดมวลได้โดยไม่จำเป็นที่คนวัดต้องเดินทางไปเปรียบเทียบกับค่ามาตรฐานที่ Paris อีกต่อไป

ส่วนอีกวิธีหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์ใช้หามวล 1 กิโลกรัมมาตรฐาน คือ การสร้างทรงกลมที่ทำด้วยอะตอมของธาตุ silicon-28 บริสุทธิ แล้วนับจำนวนอะตอมที่มีในทรงกลมนั้น

คำจำกัดความใหม่ของหน่วยมาตรฐานนี้คงไม่กระทบกระเทือนเรื่องความสะดวกของชาวบ้านมาก แต่สำหรับนักวิทยาศาสตร์แล้ว นี่คือวาระแห่งการกำหนดมาตรฐานใหม่ที่สำคัญ ให้ Le Grand K ที่โลกได้ใช้มานานร่วม 100 ปีต้องลดระดับความสำคัญลงไปเป็นอันดับสอง ตั้งแต่วันที่ 20 พฤษภาคมนี้เป็นต้นไป

อ่านเพิ่มเติมจาก The Seven Pillars of Statistical Wisdoms โดย Stephen M. Stigler จัดพิมพ์โดย Harvard University Press ปี 2016

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


กำลังโหลดความคิดเห็น...