นิยามใหม่ของกิโลกรัมฉบับเข้าใจง่าย

ภาพจาก https://www.bbc.com/news/science-environment-46143399

บทสรุปจากการประชุมทั่วไปสำหรับเรื่องน้ำหนักและการวัด (General Conference on Weights and Measures) จัดขึ้นที่ประเทศฝรั่งเศส ปลายปี ค.ศ. 2018  กิโลกรัม หน่วยของมวลในระบบเอสไอถูกนิยามใหม่จากวัตถุทางกายภาพมาเป็นอิงจากค่าคงที่มูลฐานทางฟิสิกส์ เพื่อลดปัญหาที่จะเกิดขึ้นและความสะดวกในการใช้งาน

เหตุการณ์คล้ายๆกันนี้เคยเกิดขึ้นมาแล้ว สมัยก่อนเรานิยามเมตร หน่วยความยาวในระบบเอสไอด้วยระยะทางความยาว 1 หนึ่งใน 10,000,000 ส่วนจากเส้นศูนย์สูตรไปยังขั้วโลกเหนือ ต่อมาในปี ค.ศ. 1799 เราเปลี่ยนนิยามเป็นอิงจากไม้เมตรต้นแบบ แต่การใช้วัตถุทางกายภาพนั้นอาจมีการเปลี่ยนแปลงได้แม้จะเป็นการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยก็ตาม ในปี ค.ศ. 1960 เราจึงเปลี่ยนนิยามของความยาว 1 เมตรใหม่โดยอิงจากค่าคงที่ทางฟิสิกส์ นั่นก็คือความเร็วของแสง และใช้นิยามนี้มาจนถึงปัจจุบัน เรานิยามว่า ความยาว 1 เมตรคือระยะทางที่แสงเคลื่อนที่ในสุญญากาศด้วยเวลา 1 ใน 299 792 458 วินาที

ระบบเอสไอ (SI) มาจากคำย่อของภาษาฝรั่งเศส Système international หรือภาษาอังกฤษคือ International System of Units เป็นระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศซึ่งเป็นระบบการวัดที่ใช้กันแพร่หลายและเป็นระบบหน่วยวัดที่ใช้กันเป็นมาตรฐานในทางวิทยาศาสตร์ ระบบเอสไอที่มีหน่วยฐานทั้งหมด 7 หน่วย กิโลกรัมเป็นหน่วยของมวลในระบบเอสไอ ในอดีตเรานิยามว่ามวล 1 กิโลกรัมเท่ากับมวลของน้ำ 1 ลิตร ต่อมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1889 นักวิทยาศาสตร์ได้เปลี่ยนนิยามใหม่ โดยมาอิงวัตถุทางกายภาพ เป็นก้อนทรงกระบอกที่ทำมาจากแพลทินัมอัลลอย เราเรียกอย่างไม่เป็นทางการว่า Le Grand K แต่ปัญหาคือเรานิยามมันด้วยวัตถุทางกายภาพ ถ้ามวลของมันเปลี่ยน ระบบการวัดก็เปลี่ยนไปด้วยทั้งโลก และเมื่อ Le Grand K  ถูกวัด นักวิทยาศาสตร์ก็พบว่ามันมีน้ำหนักแตกต่างจากตัวสำเนาประมาณ 50 ไมโครกรัม นับตั้งแต่ที่มันถูกผลิตขึ้นในปลายศตวรรษที่ 19 ซึ่งถือว่าแตกต่างกันน้อยมาก แต่ในทางวิทยาศาสตร์และทางวิศวกรรม เราต้องการความแม่นยำที่เที่ยงตรงมาก เพราะความแตกต่างแม้เพียงเล็กน้อยก็อาจก่อให้เกิดปัญหาความคลาดเคลื่อนได้

 

ตัวสำเนาของ Le Grand K
ภาพจาก https://bgr.com/2018/11/13/kilogram-grande-k-measurement-weight-standard/

ในปลายปี ค.ศ. 2018 เราจึงต้องมีการจัดประชุมลงคะแนนของนักวิทยาศาสตร์และผลก็ออกมาว่าเราต้องนิยาม กิโลกรัมขึ้นมาใหม่ เราละทิ้งนิยามเดิมที่อิงจาก Le Grand K  และนิยามใหม่โดยอิงจากกระแสไฟฟ้า

นิยามเดิมที่อิงจาก Le Grand K  เราใช้กันมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1889 สำเนาของมันถูกทำซ้ำและแจกจ่ายไปทั่วโลก แต่ทั้ง Le Grand K  และแบบจำลองนั้นพบว่าน้ำหนักของมันเปลี่ยนไปเล็กน้อย ในปัจจุบันเราต้องการการวัดที่แม่นยำสูงมาก ทั้งในการพัฒนายารักษาโรค นาโนเทคโนโลยี และวิศวกรรมความเที่ยงตรง (Precision engineering) เราจึงต้องการนิยามกิโลกรัมขึ้นมาใหม่

หลักการที่เราใช้คือแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnets) สามารถทำให้เกิดแรงได้  ในหนังฝรั่งเราอาจจะเคยเห็นแม่เหล็กไฟฟ้าติดเครน เอาไว้ยกหรือเคลื่อนย้ายวัตถุที่เป็นโลหะ เช่นรถเก่าๆ การดึงของแม่เหล็กไฟฟ้า แรงที่มันใช้ออกมาสัมพันธ์โดยตรงกับกับจำนวนของกระแสไฟฟ้าที่ไปผ่านคอยล์ เพราะฉะนั้นนี่จึงเป็นความสัมพันธ์โดยตรงระหว่างไฟฟ้าและน้ำหนัก ดังนั้นโดยหลักการแล้วนักวิทยาศาสตร์จึงสามารถนิยามกิโลกรัม หรือน้ำหนักของสิ่งใด ๆด้วยปริมาณของไฟฟ้าที่ต้องใช้เพื่อต่อต้านกับน้ำหนัก 

ดร. ไบรอัน คิบเบิล (Bryan Kibble) สามารถสร้างเครื่องชั่งที่แม่นยำสูงมาก เราเรียกมันตามชื่อผู้สร้างว่า (Kibble balance) โดยมีแม่เหล็กไฟฟ้าดึงลงที่ด้านหนึ่ง อีกด้านหนึ่งเป็นมวล เช่นมวล 1 กิโลกรัมหรืออื่นๆ โดยกระแสไฟฟ้าที่ผ่านไปยังแม่เหล็กไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นจนทั้งสองข้างของ Kibble balance สมดุลกัน ในอดีต การวัดความต่างศักย์ (ที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าและทำให้เกิดแรงไฟฟ้า) นั้นไม่ค่อยแม่นยำนัก แต่ปัจจุบันเราสามารถวัดกระแสไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำด้วยอุปกรณ์ที่เรียกว่า Josephson Junction ซึ่งประกอบด้วยโครงสร้างของตัวนำยิ่งยวด (superconductor) สองชั้นวางขนานกันและคั่นด้วยฉนวนไฟฟ้าบางๆ อุปกรณ์จะแปลงความต่างศักย์เป็นความถี่ โดยมีค่าคงตัวของพลังค์ (Plank constant, h) เป็นค่าคงตัวของการแปรผัน 

 

ภาพจาก http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/369/1953/3936

Kibble balance มีความแม่นยำสูงมาก ยกตัวอย่างเช่น NIST-4 เป็น Kibble balance รุ่นที่ 4 ของ National Institute of Standards and Technology ประเทศสหรัฐอเมริกา เครื่องนี้มีความความเที่ยง (precision) สูงมากสำหรับการวัดมวล โดยมีความไม่แน่นอน 3 ส่วนจาก 100,000,000 (ร้อยล้าน) ส่วน 

ฉะนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงนิยามกิโลกรัมใหม่ว่า กิโลกรัมหรือสัญลักษณ์ kg นิยามโดย ค่าคงตัวของพลังค์ เป็น 6.626 070 150 x 10^-34 โดยมีหน่วยเป็น J\(\cdot\)s ซึ่งเท่ากับ kg\(\cdot\)m² \(\cdot\)s^-1 โดยเมตรและวินาทีนิยามในเทอมของความเร็วของแสงและนาฬิกา Caesium standard ตามลำดับ นิยามใหม่นี้ให้มีผลตั้งแต่วันที่ 20 พฤษภาคม ค.ศ. 2019 เป็นต้นไป โดยมันจะเป็นนิยามที่ไม่เปลี่ยนแปลงเหมือนกับการอิงกับวัตถุทางกายภาพ เราใช้เพียงหลักการทางฟิสิกส์ในการสร้าง Kibble balance เครื่องมือเพื่อวัดมวล 1 กิโลกรัม ที่ไหน เมื่อไหร่ในโลกก็ได้ ซึ่งนับว่าสะดวกมาก

จะเห็นว่าโดยนิยามใหม่นี้ หน่วย kg นิยามมาจากปริมาณอื่นจำนวน 3 ปริมาณด้วยกันคือ 

1. ความถี่ของกระแสไฟฟ้า

2. ความเร็วแสง  

3. ค่าคงตัวของพลังค์  

[ความเห็นกองบรรณาธิการ] สิ่งที่นักฟิสิกส์วัดได้แม่นยำที่สุดและมีความคลาดเคลื่อนน้อยที่สุด คือ เวลาและความถี่ การนิยามมวล 1 kg โดยใช้ความถี่นั้นทำให้มีความคลาดเคลื่อนน้อยที่สุดนั่นเอง ตามที่ Nikola Tesla เคยกล่าวไว้ว่า “If you want to find the secrets of the universe, think in terms of energy, frequency and vibration.” การเชื่อมโยงแนวคิดและการวัดเข้ากับพลังงาน ความถี่และการสั่นจะนำเราไปสู่การวัดที่ละเอียดและแม่นยำ ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการไขความลับของจักรวาลในท้ายที่สุด ในปัจจุบันมีการสร้างอุปกรณ์เชิงควอนตัมหลายชิ้นที่ใช้การวัด ระดับพลังงาน ความถี่การสั่น (ภายในอะตอม) และวัดได้ละเอียดในระดับ 1 ใน 10¹⁸ ส่วน

คำกล่าวของ Nikola Tesla เกี่ยวกับกุญแจไขความลับจักรวาล

ส่วนพ่อค้าแม่ค้าที่ใช้เครื่องชั่งกิโลกรัมค้าขายสิ่งต่าง ๆ ก็ไม่ต้องกังวลไป ยังสามารถใช้ได้ตามปรกติ เพราะเรื่องนี้เป็นเรื่องของนักวิทยาศาสตร์ที่จะต้องการนิยามกิโลกรัมขึ้นมาใหม่ให้มีความแม่นยำและไม่แปรเปลี่ยน เพราะเราได้เปลี่ยนนิยามใหม่ไปใช้นิยามอิงกับค่าคงที่ทางฟิสิกส์ เพราะแบบที่ไอนสไตน์เคยบอก “การเมืองเป็นเรื่องชั่วคราว แต่สมการฟิสิกส์คงอยู่นิจนิรันดร์”
 

เรียบเรียงโดย

ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ

• [1] https://www.inverse.com/article/51060-rip-the-kilogram
• [2] https://www.technologyreview.com/the-download/612442/the-kilogram-is-being-redefined-as-a-fundamental-constant-not-just-a-chunk-of/
• [3] https://www.bbc.com/news/science-environment-46143399
• [4] https://www.bipm.org/en/cgpm-2018/
• [5] https://www.researchgate.net/publication/266260550_The_Design_of_the_New_NIST-4_Watt_Balance