16 พฤศจิกายน ค.ศ. 2018
#นิยามกิโลกรัมเปลี่ยนแล้ว!
ในโลกวิทยาศาสตร์ การวัดปริมาณต่างๆ ให้แม่นยำนั้นเป็นสิ่งสำคัญมาก แต่สิ่งที่สำคัญไม่แพ้กันคือการกำหนดนิยามของปริมาณต่างๆ ให้ชัดเจนและเหมาะสม ซึ่งปริมาณที่มีปัญหาในการนิยามที่สุดอย่างหนึ่งคือมวล (Mass) ที่เราวัดกันในหน่วยกิโลกรัม
โลหะที่เห็นในภาพนี้คือ มวลมาตรฐาน 1 กิโลกรัมที่ถูกครอบเก็บไว้อย่างดีไม่ให้อากาศเล็ดลอดเข้าออกได้
มวลก้อนนี้มีชื่อว่า Le Grand K หรือ International Prototype Kilogram (IPK) ถูกเก็บไว้ที่สำนักงานชั่งตวงวัดระหว่างชาติ (BIPM) ในประเทศฝรั่งเศส มันถูกสร้างขึ้นจากโลหะผสมระหว่างแพลตินัม 90% และอิริเดียม 10% เป็นรูปทรงกระบอกเล็กๆ ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางและความสูง 3.917 เซนติเมตร
ก้อนโลหะแพลตินัม ที่มา : Wikipedia
เหตุผลที่ใช้โลหะแพลตินัมก็เพราะ แพลตินัมเป็นโลหะที่มีคุณสมบัติเหมาะสมหลายอย่าง หนึ่งในนั้นคือการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันกับออกซิเจนและน้ำในอากาศได้ยากมาก ผลของปฏิกิริยาดังกล่าวส่งผลให้โลหะเกิดสนิมและเกิดการสึกกร่อนนั่นเอง ส่วนที่เติมอิริเดียมเข้าไปก็เพื่อให้มันมีความแข็งมากขึ้น
ที่ผ่านมา เครื่องชั่งต่างๆทั่วโลกล้วนอ้างอิงมาตรฐานจากมวลสารก้อนนี้มาโดยตลอด แม้ว่าโดยทฤษฎีแล้ว การนิยามมวลมาตรฐานจากอะตอมน่าจะชัดเจนและพื้นฐานที่สุด แต่เนื่องจากก่อนหน้านี้นักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถหาวิธีวัดและสร้างมวลของสิ่งเล็กๆ ในระดับอะตอมให้รวมกันได้ 1 กิโลกรัมอย่างเที่ยงตรงเท่ากับการวัดมวลของสิ่งใหญ่ๆ ให้แม่นยำ
ทว่านิยามกิโลกรัมโดยการกำหนดมวลมาตรฐานในลักษณะนี้มีปัญหาหลักๆ 2 ข้อ
แบบจำลอง Le Grand K ที่แสดงไว้ที่ Cité des Sciences et de l'Industrieใน Paris ฝรั่งเศส ที่มา : Wikipedia
ปัญหาแรกคือ การเลียนแบบ (copy)
กล่าวคือ เมื่อนักฟิสิกส์สร้างก้อนมวลมาตรฐานแรกขึ้นมาได้ พวกเขาต้องสร้างมวลมาตรฐานก้อนใหม่เลียนแบบขึ้นมาแล้วส่งมวลสำเนาดังกล่าวกระจายไปยังสถานที่ต่างๆ บนโลกเพื่อความสะดวกในการใช้งาน และที่สำคัญคือเพื่อความปลอดภัย เผื่อไว้กรณีที่มวลมาตรฐานที่ฝรั่งเศสเกิดเหตุเภทภัยใดๆ โลกจะได้มีมวลสำรองก้อนอื่นๆ ไว้ใช้งานแทนไปก่อน
แต่นักฟิสิกส์ยังไม่สามารถทำการสร้างมวลสารเลียนแบบให้มีมวลเท่ากับมวลมาตรฐานที่กำหนดไว้อย่างสมบูรณ์แบบได้
ปัญหาที่สองเป็นปัญหาใหญ่กว่าปัญหาข้อแรกมาก เพราะหลังจากมวลมาตรฐานและมวลเลียนแบบถูกสร้างขึ้นในปี ค.ศ. 1889 นักฟิสิกส์ได้นัดกันเอามวลสารดังกล่าวมาชั่งเปรียบเทียบกัน และนักฟิสิกส์ต้องตกใจ เพราะผลจากการชั่งเปรียบเทียบในปี 1989 (ผ่านมา 100 ปี) พบว่ามวลที่เอามาชั่งเทียบกันมีการเปลี่ยนแปลง!
ผลการเปรียบเทียบระหว่าง Le Grand K และแบบจำลอง K21–K40 พบว่า ความเปลี่ยนแปลงมวลในระดับไมโครกรัม ที่มา : Wikipedia
ความเปลี่ยนแปลงดังกล่าวอยู่ในระดับไมโครกรัม ซึ่งน้อยมากๆ สำหรับชีวิตประจำวัน แต่สำหรับนักฟิสิกส์นั้นเป็นเรื่องใหญ่และซีเรียส เพราะนักฟิสิกส์ต้องการนิยามที่แม่นยำสมบูรณ์แบบ แบบเป๊ะๆ เพราะถ้ามาตรฐานเกิดเปลี่ยนเสียเองแล้วจะเชื่อถือสิ่งใดได้เล่า ปัญหานี้ทำให้นักฟิสิกส์เริ่มเกิดอาการวิตกจริต พารานอยด์ และพยายามมองหาสาเหตุของความเปลี่ยนแปลงดังกล่าว
ปัญหาดังกล่าวทำให้ทุกวันนี้นักฟิสิกส์ด้านการชั่งตวงวัด หรือมาตรวิทยา (Metrology) เริ่มมองหาวิธีการกำหนดมวลสารที่มีประสิทธิภาพกว่าเดิม เพราะปัญหาการเปลี่ยนแปลงของมวลสารดังกล่าวนับเป็นเรื่องใหญ่
งานประชุม The 26th General Conference on Weights and Measures ในเดือนพฤศจิกายน ปี ค.ศ. 2018 มีการนิยามกิโลกรัมขึ้นใหม่ด้วยอุปกรณ์ที่เรียกว่า Kibble balance
เครื่อง Kibble balance NIST-4 ที่ National Institute of Standards and Technology สหรัฐอเมริกา ที่มา : Wikipedia
อุปกรณ์ดังกล่าวเป็นเครื่องชั่งที่ไม่ได้ชั่งน้ำหนักเหมือนเครื่องชั่งอื่นๆ แต่มันเป็นเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ที่เชื่อมโยงมวลเข้ากับค่าคงที่ของพลังค์ (Planck’s constant) ซึ่งเป็นค่าคงที่พื้นฐานในธรรมชาติ
แน่นอนว่าอุปกรณ์นี้สามารถนำไปใช้เพื่อทำการตั้งค่ามาตรฐานให้กับตาชั่งอื่นๆ ได้ทั่วโลกด้วยความแม่นยำและละเอียดสูงมาก
ค่าคงที่ของพลังค์ (Planck’s constant) ที่มา : Wikipedia
หลักการทำงานคือ เมื่อวางมวลที่ต้องการวัดค่าลงไปที่ด้านหนึ่งของตาชั่ง (ซึ่งสามารถวางได้ตั้งแต่ระดับมิลลิกรัมจนถึงหนึ่งกิโลกรัม) อีกด้านหนึ่งจะมีการถ่วงให้เกิดสมดุลด้วยแรงทางไฟฟ้า ซึ่งแรงทางไฟฟ้านั้นเชื่อมโยงกับค่าคงที่ของพลังค์ซึ่งนักฟิสิกส์ทราบค่าอยู่แล้ว จากนั้นจึงเชื่อมโยงไปเพื่อหามวลที่ต้องการวัดค่าได้
สัญลักษณ์ของหน่วย SI ในปัจจุบัน ที่สร้างโดย International Bureau of Weights and Measures ซึ่งจะเห็นได้ว่ามวลจะขึ้นอยู่กับค่าคงที่ของพลังค์ ที่มา : Wikipedia
สุดท้ายฝากเกร็ดน่าสนใจไว้อย่างหนึ่ง
นั่นคือ ถึงแม้นิยามกิโลกรัมที่อยู่มานานนับร้อยปีจะเปลี่ยนไป
แต่ก็ไม่ได้หมายความว่าน้ำหนักของตัวเราจะเปลี่ยนตามนะ
(จบ)
- 14
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
