เมื่อ 1 กก.จะไม่เหมือนเดิมอีกต่อไป ตาชั่งแบบเก่ายังใช้ได้หรือไม่ ?

Image # 2. การชั่งน้ำหนักที่มีหน่วยเป็นกิโลกรัมในอนาคตจะละเอียดแม่นยำยิ่งขึ้นImage copyrightSCIENCE PHOTO LIBRARY
คำบรรยายภาพการชั่งน้ำหนักที่มีหน่วยเป็นกิโลกรัมในอนาคตจะละเอียดแม่นยำยิ่งขึ้น

คลิก  Image # 3. hd-people-mobile-image-750x352px

ภายในวันที่ 16 พ.ย. กิโลกรัม โมล แอมแปร์ และเคลวิน สี่หน่วยวัดพื้นฐานในระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศหรือเอสไอ (SI) กำลังจะถูกนิยามใหม่ เพื่อให้มาตรฐานการชั่งตวงวัดของทั่วโลกมีความแม่นยำสูงขึ้น และมีความละเอียดมากพอที่จะรองรับความก้าวหน้าของวิทยาการสมัยใหม่

คาดกันว่าที่ประชุมใหญ่ของบรรดานักมาตรวิทยา (Metrologist) ผู้ศึกษาเรื่องหน่วยการวัดต่าง ๆ ด้วยระเบียบวิธีทางวิทยาศาสตร์จาก 57 ประเทศ จะลงมติรับรองนิยามใหม่ดังกล่าวในการประชุมใหญ่ว่าด้วยน้ำหนักและมาตรวัด (CGPM) ครั้งที่ 26 ที่ประเทศฝรั่งเศส และหากไม่มีอะไรพลิกความคาดหมาย นิยามใหม่ดังกล่าวจะเริ่มมีผลบังคับใช้ในวันที่ 20 พฤษภาคม ปีหน้า

มีความจำเป็นแค่ไหนที่นักวิทยาศาสตร์จะต้องเปลี่ยนแปลงนิยามของหน่วยวัดพื้นฐานเหล่านี้ให้ยุ่งยาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งหน่วยกิโลกรัมที่เกี่ยวข้องกับชีวิตประจำวันของผู้คนส่วนใหญ่อย่างแยกไม่ออก น่าสงสัยว่าหลังจากนี้ เครื่องชั่งที่เราใช้กันทั่วไปจะยังคงใช้ได้เหมือนเดิมอยู่หรือไม่ ?

ลาก่อน “เลอกรองกา″ (Le Grand K)

Image # 4. เลอกรองกา (Le Grand K) ก้อนโลหะที่เป็นต้นแบบมาตรฐานสำหรับน้ำหนัก 1 กก. ซึ่งทั่วโลกยึดถือใช้เป็นหลักอ้างอิงมานานกว่าร้อยปีImage copyrightAFP
คำบรรยายภาพเลอกรองกา (Le Grand K) ก้อนโลหะที่เป็นต้นแบบมาตรฐานสำหรับน้ำหนัก 1 กก. ซึ่งทั่วโลกยึดถือใช้เป็นหลักอ้างอิงมานานกว่าร้อยปี

กว่าหนึ่งศตวรรษที่ผ่านมา มาตรฐานของน้ำหนัก 1 กิโลกรัมทั่วโลก จะอ้างอิงกับต้นแบบกิโลกรัมระหว่างประเทศ (International Prototype of the Kilogram – IPK) ซึ่งเป็นก้อนโลหะผสมแพลทินัม-อิริเดียม รูปทรงกระบอก ที่ถูกเก็บรักษาไว้ในห้องนิรภัยของสำนักงานชั่งตวงวัดระหว่างประเทศ (BIPM) ชานกรุงปารีสของฝรั่งเศส

แม้จะถูกเก็บรักษาไว้เป็นอย่างดีภายในครอบแก้วหลายชั้น แต่ “เลอกรองกา″ หรือ The Big K ก้อนนี้จะต้องถูกนำออกมาทำความสะอาดขจัดสิ่งปนเปื้อนที่สะสมพอกพูนเมื่อเวลาผ่านไปหลายสิบปี เพื่อให้น้ำหนักมีความเที่ยงตรงเท่าเดิม โดยเจ้าหน้าที่จะใช้หนังชามัวส์ (Chamois) ชุบแอลกอฮอล์และอีเทอร์เช็ดถู ก่อนจะล้างด้วยไอน้ำซึ่งมาจากน้ำที่กลั่นซ้ำถึงสองรอบ

แต่ปัญหาที่เกิดขึ้นก็คือ กระบวนการขจัดสิ่งปนเปื้อนที่ทำให้เลอกรองกามีน้ำหนักเพิ่มขึ้นมาตามกาลเวลานั้น กลับทำให้มันสูญเสียน้ำหนักไปมากกว่าที่ควรจะเป็น เนื่องจากเนื้อโลหะผสมกร่อนออกไปเล็กน้อยในการทำความสะอาดทุกครั้ง นักมาตรวิทยาจึงต้องคอยชดเชยน้ำหนักของเลอกรองกา รวมทั้งก้อนโลหะที่ทำสำเนาส่งไปเป็นต้นแบบยังประเทศต่าง ๆ อยู่เสมอ ซึ่งก็ไม่อาจจะทำให้มีน้ำหนักเท่ากับมาตรฐานเดิมได้

ความคลาดเคลื่อนของน้ำหนักเลอกรองกานั้น แม้จะมีเพียงเล็กน้อยในระดับไมโครกรัม แต่ก็ทำให้เกิดความไม่แน่นอนซึ่งส่งผลกระทบต่อวงการวิทยาศาสตร์ยุคใหม่ไม่น้อย เนื่องจากแนวโน้มการศึกษาสิ่งที่อยู่ในระดับเล็กย่อยลงไปเรื่อย ๆ เช่นควอนตัมและนาโนเทคโนโลยี ทำให้มีความต้องการมาตรวัดขนาดและน้ำหนักที่ละเอียดแม่นยำสูงขึ้น เช่นบริษัทวิจัยยาและเวชภัณฑ์ต่าง ๆ จะต้องการหน่วยวัดและเครื่องชั่งวัตถุดิบปรุงยาที่มีความละเอียดย่อยลงไปถึงระดับหลายล้านส่วน หรือแม้กระทั่งหลายพันล้านส่วนของ 1 กรัม ในไม่ช้านี้

ดร. เอียน โรบินสัน จากห้องปฏิบัติการทางกายภาพแห่งชาติ (NPL) ของสหราชอาณาจักร บอกว่า “เหตุผลสำคัญอีกประการหนึ่งที่จะต้องนิยามมาตรฐานน้ำหนัก 1 กิโลกรัมเสียใหม่ โดยเลิกอ้างอิงกับเลอกรองกานั้น ก็เพื่อความปลอดภัยด้วย หากเกิดเหตุเพลิงไหม้รุนแรงจนทำลายห้องนิรภัยที่เก็บเลอกรองกาเอาไว้ ทั่วโลกก็จะปั่นป่วนสับสนที่จู่ ๆ มาตรฐานอ้างอิงเดียวที่มีอยู่หายไป นี่เป็นเรื่องของความมั่นคงระหว่างประเทศเลยทีเดียว”

ส่วนดร. สเตฟาน ชลัมมิงเกอร์ จากสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) ของสหรัฐฯ แสดงความเห็นว่า “ในอนาคตหากมนุษย์ต่างดาวมาเยือนโลก และได้ถกกันเรื่องวิทยาการโดยเฉพาะอย่างยิ่งเรื่องฟิสิกส์และหน่วยวัดต่าง ๆ ถ้าเขาได้รู้ว่าชาวโลกยังใช้ก้อนโลหะเป็นต้นแบบมาตรฐานของหน่วยชั่งน้ำหนักอยู่ ทั้งจักรวาลจะต้องหัวเราะเยาะเราแน่ ๆ ”

สู่ยุคใหม่กับตาชั่งคิบเบิล (Kibble balance)

ที่ผ่านมานักมาตรวิทยาพยายามปรับปรุงนิยามของหน่วยฐาน (Base units) ทั้งหมด 7 หน่วยในระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศ ให้เชื่อมโยงกับแนวคิดพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ที่มีความเป็นสากลมากที่สุด โดยก่อนหน้านี้มีการแก้ไขนิยามของวินาที เมตร และแรงเทียน (Candela) ซึ่งบอกถึงระยะเวลา ระยะทาง และระดับการส่องสว่างตามลำดับ โดยอ้างอิงกับกระบวนการทางกายภาพที่เกิดขึ้นอย่างเที่ยงตรงในธรรมชาติ เช่นความเร็วแสงในสุญญากาศ เหลือเพียงหน่วยกิโลกรัมเท่านั้นที่ยังคงนิยามโดยอ้างอิงกับวัตถุที่มนุษย์ผลิตขึ้นอยู่

Image # 5. a scientist at work on the kibble balanceImage copyrightAFP
คำบรรยายภาพตาชั่งคิบเบิล คิดค้นและพัฒนาขึ้นมาตั้งแต่ปี 1975 โดย ดร.ไบรอัน คิบเบิล นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษผู้บุกเบิกการค้นคว้าทางมาตรวิทยา

ล่าสุดนักมาตรวิทยาจากนานาประเทศได้เห็นพ้องให้ปรับปรุงนิยามของน้ำหนัก 1 กิโลกรัมเสียใหม่ โดยให้อ้างอิงกับสิ่งที่เป็นนามธรรมอย่างตัวเลขแทน ซึ่งก็คือ “ค่าคงที่ของพลังค์” (Planck’s constant)

ค่าคงที่ดังกล่าวเป็นตัวเลขที่ใช้ในการอธิบายปรากฏการณ์ทางพลังงานที่เกิดขึ้นในระดับอนุภาค เช่นในด้านฟิสิกส์ควอนตัม โดยค่าคงที่ของพลังค์แสดงถึงความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานใน 1 อนุภาคโฟตอนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า กับความถี่ของคลื่นดังกล่าวระหว่างที่เกิดการแผ่รังสี ซึ่งมีค่าเท่ากับ 6.626 x 10¯³⁴ จูล-วินาที

ค่าคงที่ของพลังค์เข้ามาเกี่ยวข้องกับน้ำหนักมาตรฐาน 1 กิโลกรัมแบบใหม่ เนื่องจากจะมีการใช้พลังงานหรือแรงแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นตัวเทียบในการชั่งน้ำหนักวัตถุต่าง ๆ อย่างละเอียดนั่นเอง โดยจะถือว่าแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่กระทำต่อวัตถุจนมีค่าเท่ากับแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อมวลนั้น ก็คือน้ำหนักของวัตถุดังกล่าวนั่นเอง โดยค่าคงที่ของพลังค์เท่ากับพลังงานที่กระทำต่อวัตถุจนมีน้ำหนัก 1 กิโลกรัม ต่อพื้นที่ 1 ตารางเมตร ในเวลา 1 วินาที

หลักการที่ใช้พลังแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นตัวเทียบในการชั่งน้ำหนักวัตถุ หรือ “ตาชั่งคิบเบิล” นี้มีการคิดค้นและพัฒนาขึ้นมาตั้งแต่ปี 1975 โดย ดร.ไบรอัน คิบเบิล นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษผู้บุกเบิกการค้นคว้าทางมาตรวิทยา ตาชั่งชนิดนี้ทำงานเหมือนกับตาชั่งแบบดั้งเดิมทั่วไป แต่ใช้ตุ้มถ่วงน้ำหนักที่เป็นนามธรรมอย่างพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า แทนที่จะเป็นก้อนโลหะหรือวัสดุที่จับต้องได้อื่น ๆ

หลายคนอาจสงสัยว่า เมื่อมีการเปลี่ยนนิยามของหน่วยกิโลกรัมมาใช้ค่าคงที่ของพลังค์เป็นตัวเลขอ้างอิงแล้ว จะเกิดผลกระทบกับการชั่งน้ำหนักในชีวิตประจำวันของคนธรรมดาทั่วไปที่ไม่ได้เป็นนักวิทยาศาสตร์หรือไม่ และเราจะต้องเปลี่ยนเครื่องชั่งที่มีอยู่ไปเป็นอุปกรณ์ไฮเทคอย่างตาชั่งคิบเบิลด้วยหรือเปล่า ?

เรื่องนี้นักมาตรวิทยาหลายคนบอกว่า การเปลี่ยนแปลงนิยามของหน่วยกิโลกรัมจะไม่ส่งผลกระทบต่อเรา ๆ ท่าน ๆ อย่างแน่นอน เพราะเป็นเรื่องเฉพาะภายในวงการวิทยาศาสตร์เท่านั้น เพียงแต่ในอนาคตอาจมีการผลิตอุปกรณ์เทียบน้ำหนักมาตรฐาน 1 กิโลกรัมตามนิยามใหม่ ออกมาให้เครื่องชั่งแบบปกติทั่วไปใช้ปรับเทียบเคียงได้

Image # 6.

นิยามใหม่ของหน่วยวัดพื้นฐานต่าง ๆ ในระบบเอสไอ (SI)

พัฒนาการของหน่วยวัดสากลนั้นเริ่มต้นขึ้นในฝรั่งเศสตั้งแต่กลางศตวรรษที่ 18 ซึ่งต่อมาทำให้เกิดการพัฒนาระบบเมตริก (Metric system) ที่ปัจจุบันได้รับการปรับปรุงใหม่จนอยู่ในรูปของระบบเอสไอ (SI) ในที่สุด ซึ่งก็ยังมีการพัฒนาต่อไปอย่างไม่หยุดยั้ง นอกจากหน่วยกิโลกรัมแล้ว ล่าสุดหน่วยฐาน (Base units) ทั้งหมด ในระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศ มีการให้นิยามใหม่โดยอ้างอิงกับค่าคงที่ต่าง ๆ ดังนี้

– หน่วยวัดระยะเวลาเป็นวินาที (Second) โดย 1 วินาทีเท่ากับเวลาที่อะตอมของธาตุซีเซียมสลายตัวอย่างละเอียด หรือเกิดการสั่น 9,192,631,770 ครั้ง

– หน่วยวัดระยะทางเป็นเมตร (Metre) อ้างอิงกับความเร็วแสง โดย 1 เมตรเท่ากับระยะทางที่แสงเดินทางในสุญญากาศ ภายใน 1/299,792,458 วินาที

– หน่วยวัดอุณหภูมิเป็นเคลวิน (Kelvin) โดย 1 เคลวินเท่ากับความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานระดับอนุภาคกับอุณหภูมิ ซึ่งอ้างอิงกับค่าคงที่บอลต์ซมานน์ (Boltzmann constant)

– หน่วยวัดกระแสไฟฟ้าเป็นแอมแปร์ (Ampere) โดย 1 แอมแปร์เท่ากับค่าคงตัวของประจุอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุลบ

– หน่วยวัดปริมาณของสสารเป็นโมล (Mole) โดย 1 โมลจะเท่ากับค่าคงที่อาโวกาโดร (Avogadro constant) ซึ่งเป็นจำนวนอะตอมของธาตุคาร์บอน-12 จำนวน 12 กรัม

– หน่วยวัดความเข้มของการส่องสว่างเป็นแรงเทียนหรือแคนเดลา (Candela) โดย 1 แคนเดลาเท่ากับค่าประสิทธิผลการส่องสว่าง (Luminous efficacy ) ของการแผ่รังสีความยาวคลื่นเดียวด้วยความถี่ระดับหนึ่ง

ที่มา : https://www.bbc.com/thai/features-46195219