เมื่อ 1 กิโลกรัมของเราไม่เท่ากันกับการกำหนดมาตรฐานใหม่ของหน่วยวัดในระบบ SI

เคยสงสัยกันมั้ยครับว่าหน่วยกิโลกรัม (kilogram, kg) ที่เราใช้ชั่งน้ำหนักมากจากไหน?

หน่วยkgเป็นหน่วยหนึ่งของมาตรฐานหน่วยวัดสากลหรือ International system of units (SI units) นอกจาก kg ที่เป็นหน่วยของน้ำหนักตามระบบหน่วย SI แล้ว หน่วย SI ยังประกอบไปด้วยหน่วยวินาที (Second, s) ที่ใช้บอกเวลา หน่วยเมตร (Meter, m) ที่เป็นหน่วยของระยะทาง หน่วยแอมแปร์ (Ampere, A)หน่วยบอกค่ากระแสไฟฟ้า หน่วยโมล (Mol) หน่วยบอกจำนวนของอนุภาค หน่วยเคลวิน (Kelvin, K) หน่วยบอกอุณหภูมิ และหน่วยแคนเดลล่า (Candela, cd) หน่วยบอกค่าความส่องสว่าง

สำหรับมาตรฐานของหน่วย kg นั้นถูกกำหนดโดยก้อนโลหะที่ถูกเก็บไว้ในห้องนิรภัยใกล้กรุงปาริสประเทศฝรั่งเศสมาตั้งแต่คริศตวรรษที่ 18 โดยก้อนโลหะนี้ถูกทำซ้ำอีกเป็นจำนวนหนึ่งและได้แจกจ่ายไปไว้ตามประเทศต่างๆทั่วโลก

แล้วก้อนโลหะนี้เชื้อถือได้มากน้อยเพียงใด?

ในทางวิทยาศาสตร์แล้วมวลของโลหะสามารถเปลี่ยนแปลงได้ด้วยกระบวนการทางเคมีบนพื้นผิวของโลหะ ด้วยเหตุนี้น้ำหนักของก้อนโลหะเหล่านั้นจึงมีการเปลี่ยนแปลงแตกต่างกันตลอดหลายปีที่ผ่านมา การเปลี่ยนแปลงนี้ถึงแม้จะเกิดขึ้นเพียงเล็กน้อยซึ่งไม่อาจส่งผลกระทบต่อการวัดหรือชั่งน้ำหนักในชีวิตประจำวันได้ แต่มันสามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อการศึกษาทางวิทยาศาสตร์ที่ปัจจุบันมุ่งเน้นไปยังอนุภาคพื้นฐานที่อาศัยความละเอียดและแม่นยำของการวัดเป็นจุดทศนิยมหลายสิบหลัก ด้วยเหตุนี้นักวิทยาศาสตร์จึงคิดค้นวิธีการเทียบวัดมาตรฐานของหน่วย SI รูปแบบใหม่โดยที่ไม่พึ่งพาการอ้างอิงของวัตถุใดๆแต่ใช้การคำนวณจากค่าคงที่ทางฟิสิกส์แทน [1]

หน่วยต่างๆในระบบ SI ที่กล่าวไปข้างต้นนั้นล้วนแล้วแต่มีความสัมพันธ์กัน [2] เมื่อเราสามารถกำหนดค่าคงที่จากหน่วยหนึ่งได้แล้วเราก็จะสามารถนำมาคำนวณหาค่าคงที่อีกหน่วยหนึ่งได้ ดังตัวอย่างเช่นจากการทดลองนาฬิกาอะตอมด้วยการใช้อนุภาคของธาตุซีเซียม (Caesium) นักวิยาศาสตร์ได้พบว่าการแผ่รังสีจากระดับพลังงานย่อย (Hyperfine structure) ของอนุภาคดังกล่าวมีความถี่ที่ 1 ใน 9,192,631,770 วินาที ค่าคงที่นี้นักวิทยาศาสตร์ได้นำมาใช้เทียบมาตรฐานหน่วยวินาที (s) และนิยามค่ามาตรฐานระยะทางใหม่ โดยระยะทางหนึ่งเมตร (m) คือระยะทางที่แสงเดินทางในสภาพสูญญากาศโดยใช้ระยะเวลา 1 ใน 299,792,458 วินาที

ในส่วนของหน่วย kg นั้น ค่าคงตัวของแพลงค์ หรือ Planck’s constant จะถูกใช้เป็นมาตรฐาน ซึ่งค่าคงที่นี้มีหน่วยเป็น kg m2 s-1 และจากนิยามค่าคงที่ของหน่วย m และ s ตามที่กล่าวไปข้างต้น ทำให้เราสามารถเทียบค่าหน่วย kg ได้ด้วยการคำนวณผลของ Quantum-Hall effect ค่าคงที่ Planck’s constant จะถูกคำนวณและปรับเปลี่ยนเพื่อให้มีค่าใกล้เคียงกับน้ำหนักปัจจุบันของก้อนโลหะมาตรฐานที่ใช้กันอยู่ ผ่านการทดลองที่เรียกว่า Watt balance โดยนักวิทยาศาสตร์จะทำการเทียบค่าแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อมวลของก้อนโลหะมาตรฐานกับแรงแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกควบคุมโดยความต่างศักย์อย่างแม่นยำ  สุดท้ายนี้เราก็จะได้ค่าคงที่ที่สามารถเทียบมาตรฐานหน่วย kg แทนก้อนโลหะ

นอกจากนี้การทดลองอีกหลายรูปแบบถูกจัดทำขึ้นเพื่อปรับเปลี่ยนมาตรฐานของหน่วยต่างๆในระบบหน่วย SI เพื่อให้ได้ค่าคงที่ที่จะนำมาใช้เป็นมาตรฐานใหม่ ความท้าทายของการกำหนดมาตรฐานใหม่นี้คือความแม่นยำของการทดลองและการทำซ้ำการทดลองเพื่อลดค่าความไม่แน่นอนของค่าคงที่ต่างๆให้ได้เป็นศูนย์ซึ่งจะเป็นเป้าหมายหลักของการกำหนดมาตรฐานของหน่วย SI รูปแบบใหม่นี้

อ้างอิง

[1] J. Fischer & J. Ullrich, “The new system of units” Nature Physics 12, 4–7 (2016)

[2] E. Gibney, “New definitions of scientific units are on the horizon” Nature 550, 312–313 (2017)