เคยสงสัยไหมว่า 1 กิโลกรัม เท่ากับอะไร? หรือทำไมมาตรฐานความยาว 1 เมตร ถึงเปลี่ยนไปตลอดเวลา? จริง ๆ แล้ว สิ่งที่เราใช้ในชีวิตประจำวัน ไม่ว่าจะเป็นน้ำหนัก ส่วนสูง เวลา หรือแม้แต่กระแสไฟฟ้า ล้วนเคยมีมาตรฐานที่แตกต่างกันไปตามยุคสมัย ก่อนที่วิทยาศาสตร์จะเข้ามามีบทบาท และเปลี่ยนทุกอย่างให้เป็นสิ่งที่แน่นอนขึ้น
จุดเริ่มต้น: มาตรฐานที่แปรผันได้
ย้อนกลับไปในอดีต การกำหนดหน่วยวัดมักอิงกับสิ่งที่มนุษย์สามารถสัมผัสได้ เช่น:
- ความยาว อ้างอิงจากร่างกายมนุษย์ เช่น "ฟุต" (ความยาวเท้า) หรือ "คืบ" (ระยะจากนิ้วหัวแม่มือถึงนิ้วก้อยเมื่อกางออก)
- มวล ใช้เมล็ดพืช เช่น "เมล็ดข้าวบาร์เลย์" เป็นหน่วยพื้นฐานของน้ำหนัก
- เวลา ใช้การเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์ ดวงจันทร์ และนาฬิกาทราย
- กระแสไฟฟ้า อิงจากผลทางแม่เหล็กของกระแสในสายไฟสองเส้น
- อุณหภูมิ ใช้ปรอทขยายตัวในหลอดแก้วเป็นเกณฑ์ในการวัด
- ปริมาณสาร อิงจากการชั่งน้ำหนักของสารบริสุทธิ์ เช่น การใช้ "โหล" หรือ "ปอนด์" เป็นหน่วย
- ความเข้มแสง ใช้เปลวไฟของเทียนเป็นมาตรฐานเริ่มต้น
แม้ว่าระบบเหล่านี้จะสะดวกสำหรับการใช้งานในยุคนั้น ๆ แต่ก็มีปัญหาสำคัญ: ค่ามาตรฐานไม่คงที่ ตัวอย่างเช่น เท้าของแต่ละคนย่อมมีขนาดต่างกัน หรือเมล็ดข้าวบาร์เลย์แต่ละเมล็ดก็ไม่ได้มีน้ำหนักเท่ากันเสมอไป
กำเนิดมาตรฐานสากล: กิโลกรัมและเมตรต้นแบบ
ในช่วงปฏิวัติฝรั่งเศส (ศตวรรษที่ 18) มีการริเริ่มระบบเมตริกขึ้น โดยกำหนดมาตรฐานจากธรรมชาติที่สามารถทำซ้ำได้ง่ายกว่า เช่น:
- เมตร นิยามจาก "1 ใน 10 ล้านส่วนของระยะจากเส้นศูนย์สูตรถึงขั้วโลกผ่านปารีส"
- กิโลกรัม กำหนดโดยใช้มวลของน้ำบริสุทธิ์ 1 ลูกบาศก์เดซิเมตร ที่อุณหภูมิ 4°C
ต่อมา ในปี 1889 มาตรฐานที่แน่นอนขึ้นถูกสร้างขึ้น:
- ก้อนโลหะต้นแบบกิโลกรัม (International Prototype of the Kilogram - IPK) ทำจากโลหะผสมแพลทินัม-อิริเดียม ถูกเก็บรักษาไว้อย่างดีที่ Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) ในฝรั่งเศส
- ต้นแบบเมตร (Mètre des Archives) เป็นแท่งแพลทินัม-อิริเดียม ซึ่งกำหนดให้เป็นมาตรฐานความยาว 1 เมตร
แต่ปัญหาก็ยังไม่หมดไป...
ปัญหาของต้นแบบทางกายภาพ
ถึงแม้ว่ากิโลกรัมต้นแบบจะถูกเก็บไว้อย่างดี แต่มันก็ยังมีการเปลี่ยนแปลง:
- น้ำหนักของ IPK เปลี่ยนไปในระดับ ไมโครกรัม เมื่อเวลาผ่านไป (แม้จะเล็กน้อย แต่ก็มีผลต่อการวัดที่ต้องการความแม่นยำสูง)
- ทุกครั้งที่มีการใช้งานต้นแบบ ต้องมีการเปรียบเทียบกับต้นแบบสำรอง ซึ่งอาจมีความคลาดเคลื่อนเกิดขึ้น
- หากต้นแบบสูญหายหรือเสียหาย มาตรฐานทั้งหมดก็จะได้รับผลกระทบ
ในขณะเดียวกัน วิทยาศาสตร์ก้าวหน้าไปมากขึ้น ทำให้เกิดแนวคิดที่จะใช้ ค่าคงที่ทางฟิสิกส์ เป็นตัวกำหนดหน่วยวัดแทน
การเปลี่ยนแปลงสู่ค่าคงที่ทางฟิสิกส์
กิโลกรัม (kg): จากก้อนโลหะสู่ค่าคงที่ของพลังค์
ตั้งแต่ปี 2019 เป็นต้นมา กิโลกรัมถูกกำหนดจาก ค่าคงที่ของพลังค์ (Planck's Constant, h) ซึ่งเป็นค่าพื้นฐานในกลศาสตร์ควอนตัม ใช้อุปกรณ์ที่เรียกว่า Kibble Balance เพื่อแปลงหน่วยระหว่างมวลกับกระแสไฟฟ้าและแรงแม่เหล็กไฟฟ้า
เมตร (m): ระยะทางของแสง
ปัจจุบัน เมตรถูกกำหนดจาก ระยะทางที่แสงเดินทางในสุญญากาศในเวลา 1/299,792,458 วินาที ทำให้สามารถวัดได้อย่างเที่ยงตรงและใช้ซ้ำได้ทุกที่ในจักรวาล
วินาที (s): อะตอมซีเซียม
เวลาไม่ได้อิงจากการหมุนของโลกอีกต่อไป แต่ใช้ การสั่นของอะตอมซีเซียม-133 โดยกำหนดว่า 1 วินาที คือช่วงเวลาที่อะตอมซีเซียมสั่น 9,192,631,770 ครั้ง ในสถานะพลังงานที่กำหนด
หน่วยวัดอื่น ๆ ในระบบ SI:
- แอมแปร์ (A): นิยามจากค่าประจุของอิเล็กตรอน (1.602176634 × 10⁻¹⁹ คูลอมบ์)
- เคลวิน (K): อิงกับค่าคงที่ของโบลทซ์มันน์ (1.380649 × 10⁻²³ J/K)
- โมล (mol): นิยามจากค่าคงที่ของอาโวกาโดร (6.02214076 × 10²³ อนุภาค/โมล)
- แคนเดลา (cd): นิยามจากความเข้มของแสงที่ความถี่ 540 × 10¹² เฮิรตซ์
สรุป: การวัดที่แม่นยำเพื่ออนาคต
ปัจจุบัน หน่วยวัดทั้งหมดในระบบ SI ถูกกำหนดโดยค่าคงที่ทางฟิสิกส์ที่สามารถวัดได้ทุกที่ในจักรวาล แทนการอ้างอิงกับวัตถุทางกายภาพที่อาจเปลี่ยนแปลงไปเมื่อเวลาผ่านไป การเปลี่ยนแปลงนี้ช่วยให้การวัดมีความแม่นยำ และสามารถใช้กับเทคโนโลยีที่ก้าวหน้าขึ้น เช่น วิทยาศาสตร์อวกาศ และนาโนเทคโนโลยี