สุดยอดภารกิจนักวิทยาศาสตร์ ตามหา ‘หน่วยวัด’ ที่แท้จริง

มนุษย์เป็นสิ่งมีชีวิตสุดพิกล พวกเราชอบ ‘วัด’ ไปซะทุกอย่าง วัดตั้งแต่วงแหวนรอบดาวเสาร์ ไปจนถึงรอบอกรอบเอวของตัวเอง ความกระหายใคร่รู้เป็นแรงผลักดันให้เกิดการพัฒนาอารยธรรม นวัตกรรม และรากฐานทางสังคม

 

หากไม่มีมาตรฐานใดๆ มากำหนดเลย พวกเราคงสับสนวุ่นวายและใช้ความรู้สึกส่วนตัวในการตัดสิน ‘ยาวฉัน ยาวเธอ หนักฉัน หนักเธอ’ แต่ละคนล้วนนิยามต่างกัน และก็คงตีกันตาย

‘การวัด’ (Measurement) จึงเป็นหมุดหมายสำคัญของวิทยาศาสตร์ทุกแขนง เทคโนโลยีทุกอย่าง และการวิจัยเชิงปริมาณ (Quantitative Research)

 

แต่จริงๆ แล้วมนุษยชาติเพิ่งเริ่มหา
คำจำกัดความอย่างเป็นระบบในศตวรรษที่ 18 เท่านั้นเอง

 

‘ระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศ’ หรือ ‘ระบบเอสไอ’ (International System of Units) เป็นรากฐานการวัดทุกอย่างบนโลกด้วยหน่วยวัด 7 อย่าง 7 มหัศจรรย์ (หน่วยวัดอีก 22 หน่วยที่แยกย่อยไปอีก ก็ใช้รากฐาน 7 หน่วยนี้เป็นหลัก) เรามีทุกวันนี้ได้เพราะนักวิทยาศาสตร์ผู้ละเอียดลออกับทุกสรรพสิ่งพยายามตบตีเพื่อหาคำนิยามที่แม่นยำที่สุดให้กับมันเป็นเวลากว่าร้อยๆ ปี

 

แต่คำนิยามไหนล่ะ ที่แท้จริงที่สุด?

ในวาระที่ คณะกรรมการชั่งตวงวัดระหว่างประเทศ (International Committee for Weights and Measures) อันประกอบด้วยบุคคล 18 คน ที่มีหน้าที่รักษาความเป็นเอกภาพของมาตราชั่งตวงวัดในระดับโลก กำลังต้องสังคายนา 7 หน่วยวัดใหม่อีกครั้ง ก่อนจะประกาศใช้อย่างเป็นทางการในปี 2018

 

ซึ่งขณะนี้พวกเขากำลังขับเคี่ยวกันอย่างหนัก
ว่าอันไหนควรหาคำจำกัดความใหม่

 

แน่นอน! ภารกิจตามหาหน่วยวัดที่แท้จริงเริ่มขึ้นแล้วอย่างเข้มข้น ยุคสมัยเปลี่ยนไปวิทยาศาสตร์ต้องการความถูกต้องในระดับนาโมหรือซับซ้อนในระดับควอนตัม พวกเราต้องการคำนิยามใหม่เพื่อสร้างสิ่งใหม่ๆ

แม้มันจะไม่ได้เปลี่ยนหน้ามือเป็นหลังมือจนแม้ค้าขายปลาตลาดบางกะปิต้องเปลี่ยนตราชั่ง แต่อะไรที่ดูธรรมดาจนคุ้นชินกลับมีที่มาไม่ธรรมดาซะทุกอัน เรามาดูกันว่า 7 หน่วยวัดที่ว่ามีอะไรบ้าง อันไหนคงที่แล้ว และอันไหนต้องนิยามใหม่

 

หน่วย : Meter (เมตร)

อักษรย่อ : m (ม.)

ใช้วัดอะไร : ความยาว

คำจำกัดความล่าสุด : นิยามในปี 1983

ความยาว 1 เมตร เท่ากับความยาวที่แสงเดินทางได้ในสุญญากาศในช่วงเวลา 1/299,792,458 วินาที

สถานะล่าสุด : ไม่ต้องนิยามใหม่

การวัดสุดพื้นฐานที่สุดที่ใครๆ ก็ต้องใช้ทุกวัน มันทำให้มนุษย์ทำความเข้าใจพื้นที่และระยะ การนิยาม Meter ครั้งแรกๆ เกิดขึ้นในปี 1791 โดยกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส French Academy Of Science  โดยนิยามว่าหนึ่งเมตรเท่ากับ 1/10,000,000 ของระยะทางจากเส้นศูนย์สูตรของโลกไปยังขั้วโลกเหนือวัดจากเส้นรอบวงที่ผ่านเมืองปารีส (ก็ฉันเป็นคนฝรั่งเศสจะให้ไปวัดที่ไหนล่ะ ก็ต้องบ้านฉันสิ) แต่ของปัจจุบันที่ยึดถือคือ นิยามในปี 1983 ซึ่งก็ยังไม่ต้องนิยามใหม่ ยังโอเคอยู่

 

หน่วย : Second (วินาที)

อักษรย่อ : s

ใช้วัดอะไร : เวลา

คำจำกัดความล่าสุด : นิยามในปี 1967

1 วินาที เท่ากับช่วงเวลา 9,192,631,770 คาบของการแผ่รังสีซึ่งสัมพันธ์กับการเปลี่ยนสถานะระหว่างสองระดับไฮเปอร์ไฟน์ (hyperfine level) ของสถานะพื้นของอะตอมซีเซียม-133 (ไม่รู้เรื่องเนอะ)

สถานะล่าสุด : ไม่ต้องนิยามใหม่

เวลาของคนเราไม่เท่ากัน? จริงๆ มันก็ไม่เท่าล่ะ ในอดีตนิยามว่าเป็น 1/86,400 ของวันสุริยคติเฉลี่ย (mean solar day) ซึ่งเป็นนิยามที่ยังใช้ในบริบททางดาราศาสตร์และกฎหมายอยู่บ้าง แต่มันไม่โอเคเพราะการโคจรของโลกและดวงอาทิตย์มีการแปรผันอยู่ตลอดเวลา  คณะกรรมการจึงต้องเอา ‘กลศาสตร์ ควอนตัม’ เข้ามาคำนวณด้วยในปี 1967

ดังนั้นหน่วยวินาทีจึงยังไม่ต้องเปลี่ยนเร็วๆ นี้

 

หน่วย : Candela (แรงเทียน)

อักษรย่อ : cd

ใช้วัดอะไร : ความสว่าง

คำจำกัดความล่าสุด : นิยามในปี 1979

1 แคนเดลา เท่ากับความเข้มส่องสว่างในทิศที่กำหนดของแหล่งกำเนิดที่แผ่รังสีของแสงความถี่เดียวที่มีความถี่ 540×1012 เฮิรตซ์ และมีความเข้มของการแผ่รังสีในทิศทางนั้นเท่ากับ 1/683 วัตต์ต่อสเตอเรเดียน

สถานะล่าสุด : ไม่ต้องนิยามใหม่

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ชาวอเมริกัน ฝรั่งเศส และอังกฤษ จำกัดความสว่างจากตะเกียงคาร์บอน  โดยเทียนไขในยุคนั้นทำจากไขปลาวาฬบริสุทธิ์  นิยามความส่องสว่างของเกือบทุกประเทศก็เปรียบเทียบกับ ‘แสงเทียน’ นี้แล

แต่ค่าของความสว่างในยุคนั้นกลับไม่คงที่เอาเสียเลย จนนักวิทยาศาสตร์หันมาใช้การแผ่รังสีของวัตถุดำ (Blackbody Radiation) จนท้ายสุดในปี 1979 จึงใช้การคำนวณด้วยกระบวนการทางฟิสิกส์แทน ซึ่งยังใช้คำนิยามเดิม ไม่ต้องเปลี่ยน

 

หน่วย : Kilogram (กิโลกรัม)

อักษรย่อ : kg (กก.)

ใช้วัดอะไร : มวล

คำจำกัดความล่าสุด : นิยามในปี 1889

กิโลกรัม ยังคงเป็นหน่วยเอสไอเพียงหน่วยเดียว ที่ถูกนิยามโดยเทียบกับวัตถุที่มนุษย์สร้างขึ้น เรียกว่า Le Grand K (เลอกรองกิโล) ซึ่งเป็นแท่งที่ทำจากแพลทินัมผสมอิริเดียม ถูกเก็บไว้อย่างมิดชิดจากสภาพแวดล้อมทั้งปวง และแอบซ่อนอย่างเป็นความลับในเมืองปารีส ทุกๆ 10ปีจะต้องเอาแท่ง Le Grand K มาชั่งเทียบน้ำหนักกับมวลต้นแบบ แต่น่าเหลือเชื่อคือ ต้นแบบ Le Grand K สูญเสียมวลไปประมาณ 50 ไมโครกรัมตลอดระยะเวลา 100 ปีที่ผ่านมา ซึ่งสาเหตุนั้นยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด

สถานะล่าสุด : รีบนิยามใหม่อย่างเร่งด่วน

ในปี 2018 จะมีการนิยามกิโลกรัมใหม่ ด้วยการคำนวณกลศาสตร์ควอนตัมจาก ‘ค่าคงตัวของพลังค์’ (Planck’s constant) โดยใช้อนุภาคอย่างอิเล็กตรอนและโฟตอนในการวัดน้ำหนัก เราจะไม่ใช้ Le Grand K อีกแล้ว มันจะถูกจัดเก็บในฐานะวัตถุโบราณที่มีคุณค่าต่อมนุษยชาติ

 

หน่วย : Ampere (แอมแปร์)

อักษรย่อ : A

ใช้วัดอะไร : กระแสไฟฟ้า

คำจำกัดความล่าสุด : นิยามในปี 1946

แอมแปร์ คือกระแสที่คงที่หากอยู่ในตัวนำที่เป็นเส้นตรงขนานกัน 2 ตัว ที่มีความยาวไม่จำกัด มีภาคตัดขวางที่เล็กมาก และวางห่างกัน 1 เมตร ในสุญญากาศ  (ถึงจะมีคำนิยามอันงงงวยดังกล่าว แต่การทำให้เกิดปรากฏการณ์นั้นแบบเป๊ะๆ ยังเป็นไปไม่ได้ แม้จะทำในห้องทดลองแล้วก็ตาม)

สถานะล่าสุด : นิยามใหม่ แต่ไม่รีบ

แอมแปร์สามารถแก้นิยามใหม่ได้ โดยเปลี่ยนค่าตัวเลขของประจุที่มี 1 โปรตอนตามหน่วยพื้นฐาน (Elementary charge) นักวิทย์จึงยังไม่รีบมากนักในการแก้นิยาม

 

 

หน่วย : Kelvin (เคลวิน)

อักษรย่อ : K

ใช้วัดอะไร : อุณหภูมิ

คำจำกัดความล่าสุด : นิยามในปี 1967

1 เคลวิน เท่ากับ 1/273.16 เท่าของอุณหภูมิเทอร์โมไดนามิกของจุดสามสถานะของน้ำ เป็นการผสมผสานระหว่างอุณหภูมิและแรงดัน ที่น้ำแข็ง น้ำ และไอน้ำ ดำรงอยู่ร่วมกัน

สถานะล่าสุด : นิยามใหม่ มีไอเดียแล้ว

มีความพยายามจะคำนวณเคลวินใหม่ โดยใช้ ‘ค่าคงที่โบลทซ์มันน์’ (Boltzmann constant) เป็นค่าคงที่ทางฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับพลังงานระดับอนุภาคกับอุณหภูมิ ทำให้มีความแม่นยำมากขึ้น ไม่ว่าอุณหภูมิจะติดลบสุดขั้ว หรือร้อนทะลุปรอทแตก ก็จะไม่มีความผิดพลาดเลย (ตามทฤษฎีนะ)

 

หน่วย : Mole (โมล)

อักษรย่อ : mol

ใช้วัดอะไร : ปริมาณสารที่ไม่มีมิติ

คำจำกัดความล่าสุด : นิยามในปี 1971

1 โมล คือปริมาณของสารที่มีหน่วยย่อยเท่ากับจำนวนอะตอมของคาร์บอน-12 ที่มีมวล 0.012 กิโลกรัม ของคาร์บอน-12

สถานะล่าสุด : ต้องนิยามใหม่ มีไอเดียแล้ว

เมื่อกิโลกรัมยังต้องนิยามใหม่ การเอา ‘โมล’ ไปเทียบกับกิโลกรัมอีกก็ดูไม่นำพามากนัก โมลจะถูกนิยามใหม่โดยคำนวณด้วย ‘ค่าคงตัวอาโวกาโดร’ (Avogadro’s constant) ซึ่งใช้ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรกับปริมาณของแก๊ส หมายความว่า แก๊สทุกชนิดจะมีปริมาตรเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เมื่อจำนวนโมเลกุลของแก๊สเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ตามกฎของอาโวกาโดร

 

ยิ่งเราอยากสำรวจสุดขอบจักรวาล หรือการดำรงอยู่ของสสารที่ไม่เคยมีใครเชื่อว่ามีอยู่จริง เราก็ต้องยิ่งต้องการหน่วยวัดที่แม่นยำและละเอียดลออขึ้นเรื่อยๆ นักวิทยาศาสตร์ไม่หยุดที่จะคิดต่อ แต่คุณไม่ต้องกลัวว่าจะต้องกลับไปเรียนฟิสิกส์ใหม่ตั้งแต่ต้น เพราะสุดท้ายแล้วมันก็ต่อยอดไปเรื่อยๆ เหมือนตัวต่อที่ไม่มีวันสิ้นสุด

 

อ้างอิงข้อมูลจาก

The measure of all things the seven-year odyssey and hidden error that transformed the world

Weighty Matters

www.il.mahidol.ac.th

 

Illustration by Namsai Supavong
Share This!
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
  •  
No Comments Yet

Comments are closed