การ “เปลี่ยนนิยาม” หน่วยวัดทั้ง 7 หน่วย
ถือเป็นจุดเปลี่ยนสำคัญของวิทยาศาสตร์โลก
ที่ก้าวข้าม “วัตถุ” สู่ “ค่าคงที่ทางธรรมชาติ”
ในอดีต หน่วยวัดบางหน่วยถูกกำหนดจาก “วัตถุจริง”
ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือ “กิโลกรัม”
เดิมที 1 กิโลกรัม ถูกนิยามจากมวลของกิโลกรัมต้นแบบระหว่างประเทศ ที่เรียกว่า International Prototype of the Kilogram (IPK) หรือมีชื่อเล่นว่า “Le Grand K” ซึ่งเก็บรักษาไว้ที่สำนักงานชั่งตวงวัดระหว่างประเทศ หรือเรียกง่ายๆว่า BIPM (Bureau international des poids et mesures) ประเทศฝรั่งเศส
แต่ปัญหาคือ… แม้จะเก็บอย่างดี แต่มวลของแท่งโลหะนี้ยังคงเกิดการเปลี่ยนแปลงที่ละเล็กทีละน้อยอย่างต่อเนื่อง ทั้งที่เกิดจากฝุ่น การสึกหรอ การทำความสะอาด หรือการเปลี่ยนแปลงของผิววัสดุเอง
แม้การเปลี่ยนแปลงค่ามวลนี้ จะมีค่าน้อยมากๆ ก็ตาม แต่สำหรับวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสมัยใหม่ ความคลาดเคลื่อนเพียงเล็กน้อยก็มีความสำคัญมาก
นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกจึงตั้งคำถามว่า
“เราจะสร้าง “ระบบหน่วย” ที่ไม่ขึ้นกับวัตถุที่อาจเปลี่ยนแปลงได้หรือไม่ ?”
มวลของกิโลกรัมต้นแบบระหว่างประเทศ (International Prototype of the Kilogram; IPK)
เนื้อหาที่เกี่ยวข้อง
Poster – การเปลี่ยนนิยามของหน่วยฐานในระบบหน่วยระหว่างประเทศ (Redefinition of the base units of the International System of Units)
NIMT Podcast คุยไปเรื่อย Ep 1 | Metre Convention
หนึ่งในเหตุการณ์สำคัญที่สุดของวงการมาตรวิทยา คือการ “เปลี่ยนนิยาม SI Units” ครั้งใหญ่ในปี ค.ศ. 2018 หรือ พ.ศ. 2561
โดยเมื่อวันที่ 16 พฤศจิกายน 2561 ที่ประชุมใหญ่ของสมัชชาสหประชาชาติว่าด้วยการชั่ง ตวง วัด (The General Conference on Weights and Measures, CGPM) ครั้งที่ 26 ณ เมืองแวร์ซายส์ ประเทศฝรั่งเศส ได้มีมติให้ยกเลิกนิยามของหน่วยฐานทั้ง 7 หน่วยที่ใช้อยู่ ณ วันประชุม และกำหนดค่าเชิงตัวเลข (numerical value) ให้กับค่าคงตัวทางฟิสิกส์ (physical constant) ทั้ง 7 ตัว โดยให้มีผลบังคับใช้ หรือกำหนดวันเริ่มใช้อย่างเป็นทางการทั่วโลก ตั้งแต่วันที่ 20 พฤษภาคม ค.ศ. 2019 หรือ พ.ศ. 2562 เป็นต้นไป ซึ่งผู้อำนวยการสถาบันมาตรวิทยาแห่งชาติ (มว.) ได้เป็นตัวแทนประเทศไทย เข้าร่วมการโหวตในครั้งนี้ด้วย
พูดง่าย ๆ คือ
จากเดิม: ใช้ “ของจริง” เป็นตัวอ้างอิง
เปลี่ยนเป็น: ใช้ “กฎธรรมชาติของจักรวาล” เป็นตัวอ้างอิง
ซึ่งค่าคงที่ทางธรรมชาติจะ “ไม่เสื่อม” “ไม่เปลี่ยน” “ใช้ได้ตลอดไป” และ “ใช้เหมือนกันทั่วโลก”
เนื้อหาที่เกี่ยวข้อง
“On the revision of the International System of Units (SI)” and Voting. 26 th CGPM
แผ่นพับ – การปฏิรูประบบหน่วยระหว่างประเทศ (Brochure, Revision of the International System of Units)
ตัวอย่างที่เข้าใจง่าย
→ นิยามใหม่ของ “วินาที (second, s)”
“เวลา” ที่แม่นยำจากอะตอม
ปัจจุบัน “วินาที” ถูกนิยามจากการสั่นของอะตอมซีเซียม-133 โดยกำหนดให้มีค่าเท่ากับ 9 192 631 770 Hz
หลักการนี้คือพื้นฐานของนาฬิกาอะตอม ซึ่งมีความแม่นยำสูงมาก และเป็นหัวใจสำคัญของระบบ GPS ดาวเทียมนำทาง ระบบสื่อสาร และโครงข่ายดิจิทัลสมัยใหม่ เห็นได้ว่า เวลาที่เราใช้ในชีวิตประจำวัน ตั้งแต่มือถือจนถึงดาวเทียม ล้วนมีรากฐานจากการวัดที่แม่นยำระดับอะตอม
เนื้อหาที่เกี่ยวข้อง
→ นิยามใหม่ของ “เมตร (metre, m)”
“ความยาว” ที่อ้างอิงจากความเร็วแสง
ปัจจุบัน “เมตร” ถูกนิยามจาก “ความเร็วของแสง”
กล่าวคือ 1 เมตร คือระยะทางที่แสงเดินทางในสุญญากาศ มีค่าเท่ากับ 299 792 458 m/s
เพราะความเร็วแสงเป็นค่าคงที่ของธรรมชาติที่ไม่เปลี่ยนแปลง จึงเหมาะอย่างยิ่งที่จะใช้เป็นรากฐานของการวัดความยาว นิยามนี้ทำให้การวัดความยาวสามารถเชื่อมโยงกับฟิสิกส์พื้นฐาน และรองรับงานที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น เลเซอร์ อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ อุตสาหกรรมไมโครอิเล็กทรอนิกส์ และเทคโนโลยีอวกาศ
เนื้อหาที่เกี่ยวข้อง
ระบบหน่วยระหว่างประเทศ และตัวอย่างความก้าวหน้าการพัฒนามาตรฐานการวัด “หน่วยเมตร”
→ นิยามใหม่ของ “กิโลกรัม (kilogram, kg)”
“น้ำหนัก” ที่อ้างอิงกับค่าคงที่ทางธรรมชาติ
เดิม “กิโลกรัม” เคยอ้างอิงกับแท่งโลหะต้นแบบ
ปัจจุบัน “กิโลกรัม” ถูกนิยามโดยอ้างอิงกับ “ค่าคงตัวของพลังค์” (Planck constant) ที่กำหนดให้มีค่าเท่ากับ 6.626 070 15 × 10e−34 ในหน่วย J•s
นี่เป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งประวัติศาสตร์ในทางวิทยาศาสตร์ของโลก เพราะทำให้ “กิโลกรัม” ไม่ต้องขึ้นกับวัตถุใดวัตถุหนึ่งอีกต่อไป
ผลที่ตามมาคือ การวัดมวลมีความมั่นคง แม่นยำ และรองรับเทคโนโลยีในอนาคตได้ดียิ่งขึ้น ตั้งแต่งานอุตสาหกรรมระดับนาโน ไปจนถึงงานวิจัยฟิสิกส์ขั้นสูง
เนื้อหาที่เกี่ยวข้อง
NIMT UPDATE >> CCM มีฉันทามติลดค่ามวล 1 กิโลกรัม เริ่มใช้ 1 มี.ค. 66 เป็นต้นไป
Poster – Traceability Chain after kilogram redefinition
→ นิยามใหม่ของ “แอมแปร์ (ampere, A)”
“กระแสไฟฟ้า” ที่อ้างอิงกับ “ประจุของอิเล็กตรอน”
เดิม แอมแปร์เคยนิยามจาก “แรงระหว่างสายไฟ” ซึ่งวัดได้ยากและซับซ้อนมาก
ปัจจุบัน “แอมแปร์” ถูกนิยามโดยอ้างอิงกับ “ประจุของอิเล็กตรอน”
ที่กำหนดให้มีค่าเท่ากับ 1.602 176 634 × 10e−19 A•s หรือ C
หมายความว่า โลกใช้ “ประจุของอิเล็กตรอน” ซึ่งเป็นอนุภาคพื้นฐานของธรรมชาติ มาเป็นตัวกำหนดหน่วยกระแสไฟฟ้า ทำให้การวัดไฟฟ้าแม่นยำขึ้น มีความสำคัญอย่างมากต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ชิปคอมพิวเตอร์ ระบบพลังงาน เทคโนโลยีควอนตัม และระบบดิจิทัลทั้งหมดที่เราใช้อยู่ทุกวัน
→ นิยามใหม่ของ “เคลวิน (kelvin, K)”
“อุณหภูมิ” ที่อ้างอิงจากพลังงานของอะตอม
เดิม “เคลวิน” เคยอ้างอิงกับ “จุดสามสถานะของน้ำ” (อุณหภูมิที่น้ำแข็ง น้ำ และไอน้ำอยู่ร่วมกัน)
แต่ในความเป็นจริงแล้ว น้ำอาจมีสิ่งเจือปนหรือสภาพแตกต่างกันได้
ปัจจุบัน “เคลวิน” ถูกนิยามโดยอ้างอิงกับ “ค่าคงที่โบลต์ซมันน์” (Boltzmann constant) ที่กำหนดให้มีค่าเท่ากับ 1.380 649 × 10e−23 J/K ซึ่งเชื่อมโยงอุณหภูมิกับพลังงานของอะตอม
ลองนึกภาพง่าย ๆ ว่า อะตอมเคลื่อนที่เร็วขึ้น เรารู้สึกว่าร้อนขึ้น อะตอมเคลื่อนที่ช้าลง เรารู้สึกว่าเย็นลง
นิยามใหม่นี้จึงทำให้อุณหภูมิไม่ใช่แค่ตัวเลขบนเทอร์โมมิเตอร์ แต่เป็นการวัดพลังงานของสสารในระดับพื้นฐาน เปลี่ยนจาก “ใช้น้ำเป็นตัวอ้างอิง” ไปเป็น “ใช้พลังงานของอะตอมโดยตรง” ผลคือ วัดอุณหภูมิได้แม่นยำกว่าเดิมมาก ทำให้สามารถวัดอุณหภูมิระดับต่ำมากหรือสูงมากได้ สำคัญต่อการแพทย์ อุตสาหกรรม และงานวิจัยขั้นสูง
→ นิยามใหม่ของ “แคนเดลา (candela, cd)”
“ความเข้มแสง” ที่อ้างอิงกับการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า
การวัดแสงไม่ได้เกี่ยวข้องกับพลังงานของแสงเพียงอย่างเดียว แต่ยังเกี่ยวข้องกับการรับรู้ของดวงตามนุษย์ด้วย
ตัวอย่างเช่น หลอดไฟสองดวงอาจใช้พลังงานเท่ากัน แต่เราอาจรู้สึกว่าสว่างไม่เท่ากัน เพราะสีของแสงมีผลต่อการมองเห็น
ปัจจุบัน “แคนเดลา” ถูกนิยามจาก “ความเข้มของการส่องสว่าง” ที่กำหนดให้มีค่าเท่ากับ 540×10e12 Hz ซึ่งเป็นช่วงที่ดวงตามนุษย์ไวต่อแสงมากที่สุด
นิยามใหม่นี้ ช่วยให้การออกแบบแสงสว่าง จอภาพ โทรศัพท์ สัญญาณไฟ และระบบแสดงผลต่าง ๆ มีมาตรฐานที่เชื่อถือได้มากขึ้น เพิ่มความปลอดภัยในการมองเห็น และลดการใช้พลังงาน
→ นิยามใหม่ของ “โมล (mole, mol)”
“สสาร” ที่อ้างอิงกับอนุภาคอะตอม
โมล คือหน่วยของปริมาณสาร เป็นการนับอนุภาคในระดับมหาศาล
เดิม “โมล” อ้างอิงกับมวลของคาร์บอน-12 และเชื่อมโยงกับกิโลกรัมต้นแบบ
ปัจจุบัน “โมล” ถูกนิยามจาก “ค่าคงที่อโวกาโดร (Avogadro constant)” โดยกำหนดให้ 1 โมลมีจำนวนอนุภาคเท่ากับ
6.022 140 76 × 10e23 อนุภาค
แม้จำนวนนี้จะใหญ่มากจนจินตนาการยาก แต่โมลมีความสำคัญอย่างมากในวิชาเคมี เภสัชกรรม อาหาร สิ่งแวดล้อม และอุตสาหกรรมวัสดุ เพราะเมื่อเราพูดถึงสารเคมี ยา หรือองค์ประกอบของวัสดุ เราไม่ได้สนใจเพียงน้ำหนัก แต่สนใจจำนวนอนุภาคที่อยู่ในสารนั้นด้วย
สรุปการเปลี่ยนนิยาม SI Units แบบง่ายที่สุด คือ
เดิม: ใช้วัตถุจริง → ปัจจุบัน: ใช้ค่าคงที่ของธรรมชาติ
เดิม: อาจเปลี่ยนแปลงได้ → ปัจจุบัน: คงที่ตลอดไป
เดิม: ความแม่นยำมีข้อจำกัด → ปัจจุบัน: แม่นยำสูงมาก
เดิม: รองรับเทคโนโลยีเดิม → ปัจจุบัน: รองรับเทคโนโลยีอนาคต
ทำไม “การเปลี่ยนนิยาม SI Units”
ถึงสำคัญกับเรา?
เพราะ “การวัด” อยู่เบื้องหลังทุกอย่างในชีวิตเรา และมันช่วยให้ชีวิตเราดีขึ้นในทุกมิติ:
→ การแพทย์แม่นยำ: ช่วยให้เครื่อง MRI หรือการให้รังสีรักษามะเร็ง มีความปลอดภัยและแม่นยำสูง
→ ความเป็นธรรมในการค้า: มั่นใจได้ว่าหัวจ่ายน้ำมัน หรือเครื่องชั่งในตลาด จะไม่โกงเรา
→ ดูแลโลก: ข้อมูลฝุ่น PM2.5 หรือภาวะโลกร้อน จะเชื่อถือได้ ก็ต่อเมื่อเครื่องมือวัดได้มาตรฐานสากล
→ เทคโนโลยีล้ำสมัย: ระบบนำทางอย่าง GPS และระบบอินเทอร์เน็ตความเร็วสูง ล้วนพึ่งพาการวัดที่ละเอียดระดับอะตอม
และเมื่อโลกมีระบบการวัดที่แม่นยำและเชื่อถือได้มากขึ้น
คุณภาพชีวิตของประชาชนก็จะดีขึ้นตามไปด้วย
ติดตามตอนต่อไป
EP 3 “มาตรวิทยาเพื่อความเชื่อมั่นในการกำหนดนโยบาย”
ผลการวัดที่ “ถูกต้องและเชื่อถือได้” จะช่วยให้การตัดสินใจเชิงนโยบาย นำไปสู่นโยบายสาธารณะ คุณภาพชีวิตที่ดี ของประชาชน ได้อย่างไร ติดตามอ่านได้ใน EP 3 “มาตรวิทยาเพื่อความเชื่อมั่นในการกำหนดนโยบาย” (Click ที่ภาพ)
เนื้อหาที่เกี่ยวข้อง
เรียบเรียงเนื้อหาโดย
นางสาวฐานิยา คัมภิรานนท์
กลุ่มงานสื่อสารองค์การ
ที่ปรึกษา
ดร.นรินทร์ จันทวงศ์
หัวหน้ากลุ่มงานมาตรวิทยานาโน ฝ่ายมาตรวิทยามิติ