นิยามวิทยาศาสตร์ กับหน่วยวัดทั้ง 7

          วันนี้เราจะมาพูดถึง หน่วยฐานเอสไอ (SI Base Unit) ที่ประกอบไปด้วย 7 หน่วย(วัด)มหัศจรรย์ ที่เราใช้กันมาอย่างยาวนานและคุ้นชิน โดยนิยามของหน่วยวัดต่างๆ ได้ถูกกำหนดมาเพื่อให้การวัดได้ผลลัพธ์ที่ถูกต้องและแม่นยำที่สุด แต่เมื่อวันเวลาเปลี่ยนไป อะไรๆ ก็เปลี่ยนตาม (จริงมั่ย?) 

          คณะกรรมการชั่งตวงวัดระหว่างประเทศ (International Committee for Weights and Measures) จึงได้เล็งเห็นความสอดคล้องของคำนิยามหน่วยวัดที่ถูกตั้งไว้ตั้งแต่ในอดีต ซึ่งบ้างอันก็เป็นการประมาณค่าออกมา ไม่ได้คิดออกมาเป็นค่าที่ตรงเป๊ะตามที่กล่าวไว้ มาดูกันดีกว่าว่าทั้ง 7 หน่วยวัดจะมีหน่วยไหนบ้าง ที่คำนิยามดั้งเดิมยังใช้ได้ และหน่วยไหนที่กำลังจะถูกเปลี่ยนคำนิยามในปี ค.ศ. 2018 นี้ 

Meter (เมตร)

อักษรย่อ : m (ม.)

ใช้วัด : ความยาว

เป็นหน่วยวัดพื้นฐานที่ใช้กันเป็นประจำ ในการวัดพื้นที่และระยะทาง ถูกนิยามครั้งแรกในปี ค.ศ. 1791 โดยกลุ่มนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสว่า 1 เมตรเท่ากับ 1/10,000,000 ของระยะทางจากเส้นศูนย์สูตรไปยังขั้วโลกเหนือวัดจากเส้นรอบวงที่ผ่านเมืองปารีส แต่ปัจจุบันได้ยึดตามนิยามของปี ค.ศ. 1983 ที่ว่า 1 เมตร เท่ากับความยาวที่แสงเดินทางได้ในสุญญากาศในช่วงเวลา 1/299,792,458 วินาที ซึ่งก็ยังโอเคอยู่ไม่จำเป็นต้องนิยามใหม่แต่อย่างใด

Second (วินาที)

อักษรย่อ : s

ใช้วัด : เวลา

การนิยามในอดีตยังเป็นการใช้บริบททางดาราศาสตร์และกฎหมาย แต่เนื่องจากการโคจรของโลกและดวงอาทิตย์มีการแปรผันอยู่ตลอดเวลา  จึงทำให้ต้องนำกลศาสตร์ควอนตัมเข้ามาคำนวณแทนในปี ค.ศ. 1967 คือ 1 วินาที เท่ากับช่วงเวลา 9,192,631,770 คาบของการแผ่รังสีซึ่งสัมพันธ์กับการเปลี่ยนสถานะระหว่างสองระดับไฮเปอร์ไฟน์ (Hyperfine Level) ของสถานะพื้นของอะตอมซีเซียม-133

Candela (แรงเทียน)

อักษรย่อ : cd

ใช้วัดอะไร : ความสว่าง

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 หลายชาติมหาอำนาจได้นิยามความสว่าง จากตะเกียงคาร์บอนที่ใช้เทียนไขที่ทำจากไขปลาวาฬบริสุทธิ์  แต่กลับไม่คงที่เอาเสียเลย จนในปี ค.ศ. 1979 จึงได้ใช้การคำนวณทางฟิสิกส์แทน เป็น 1 แคนเดลา เท่ากับความเข้มส่องสว่างในทิศที่กำหนดของแหล่งกำเนิดที่แผ่รังสีของแสงความถี่เดียวที่มีความถี่ 540×1012 เฮิรตซ์ และมีความเข้มของการแผ่รังสีในทิศทางนั้นเท่ากับ 1/683 วัตต์ต่อสเตอเรเดียน

Kilogram (กิโลกรัม)

อักษรย่อ : kg (กก.)

ใช้วัด : มวล

นิยามขึ้นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1889 โดยเป็นหน่วยฐาน si เพียงหน่วยเดียวที่ถูกนิยามเปรียบเทียบกับวัตถุที่มนุษย์สร้างขึ้นอย่าง Le Grand K (เลอกรองกิโล) ที่เป็นแท่งแพลทินัมผสมอิริเดียม โดยทุกๆ 10 ปีจะถูกนำมาชั่งเทียบน้ำหนักกับมวลต้นแบบ แต่ที่ทำให้ต้องเปลี่ยนคำนิยามใหม่ก็คือ ตลอดระยะเวลา 1 ศตวรรษที่ผ่านมา ทุกครั้งที่นำ Le Grand K มาชั่งเทียบน้ำหนัก มวลของมันจะหายไปประมาณ 50 ไมโครกรัมเสมอ จึงทำให้คาดการณ์ว่าในปี ค.ศ. 2018 จะมีการนิยามหน่วยวัดกิโลกรัมใหม่โดยใช้กลศาสตร์ควอนตัม ‘ค่าคงตัวของพลังค์ (Planck Constant)’ ที่ใช้อนุภาคอิเล็กตรอนและโฟตอนในการวัดน้ำหนัก แทนการนิยามแบบเดิม

Ampere (แอมแปร์)

อักษรย่อ : A

ใช้วัด : กระแสไฟฟ้า

เริ่มนิยามค่าแอมแปร์ครั้งแรกในปี ค.ศ. 1946 จากการไหลของกระแสไฟที่ผ่านตัวนำเส้นขนาน 2 ตัว วางห่างกัน 1 เมตร แต่การทำให้เกิดผลตามนิยามนั้นเป๊ะๆ ก็ยังคงเป็นไปไม่ได้ แอมแปร์จึงสามารถถูกแก้นิยามใหม่ได้ในอนาคต โดยเปลี่ยนค่าของประจุที่มี 1 โปรตอนตามหน่วยพื้นฐาน (Elementary Charge)

Kelvin (เคลวิน)

อักษรย่อ : K

ใช้วัด : อุณหภูมิ

มีความพยายามคำนวณหน่วยเคลวินใหม่ โดยใช้ ‘ค่าคงที่โบลทซ์มันน์’ (Boltzmann constant) เป็นค่าคงที่ทางฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับพลังงานระดับอนุภาคกับอุณหภูมิ ทำให้มีความแม่นยำสูงตามทฤษฎี โดยหน่วยวัด 1 เคลวิน เท่ากับ 1/273.16 เท่าของอุณหภูมิเทอร์โมไดนามิกของจุดสามสถานะของน้ำ เป็นการผสมผสานระหว่างอุณหภูมิและแรงดัน ที่น้ำแข็ง น้ำ และไอน้ำ อยู่รวมกัน

Mole (โมล)

อักษรย่อ : mol

ใช้วัด : ปริมาณสารที่ไม่มีมิติ

โมลถูกนิยามครั้งแรกเมื่อปี ค.ศ. 1971 เพื่อเทียบกับหน่วยวัดกิโลกรัม ซึ่งในเมื่อกิโลกรัมถูกเปลี่ยนนิยามใหม่ โมลก็ต้องถูกนิยามใหม่เช่นกัน โดยจำคำนวณด้วย ‘ค่าคงตัวอาโวกาโดร’ (Avogadro Constant) ซึ่งใช้ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรกับปริมาณของแก๊ส นั้นหมายความว่าแก๊สทุกชนิดจะเพิ่มขนาดขึ้นเรื่อยๆ เมื่อจำนวนโมเลกุลของแก๊สเพิ่มขึ้นเช่นกัน นิยามของโมลคือ ปริมาณของสารที่มีหน่วยย่อยเท่ากับจำนวนอะตอมของคาร์บอน-12 ที่มีมวล 0.012 กิโลกรัม ของคาร์บอน-12

          จากที่อ่านมาทั้งหมด บางหน่วยก็เข้าใจ บางหน่วยก็ไม่เข้าใจ แต่ก็ถือว่าเป็นความเปลี่ยนแปลงที่ดีเพื่อให้หน่วยวัดนั้นถูกต้อง เที่ยงตรง มากที่สุด ตามหลักการ กาลเวลา หรือองค์ประกอบที่เปลี่ยนไป อย่างคำพูดที่ว่า “ความรู้ไม่ได้หยุดหรือตายไปตามกาลเวลา แต่เราสามารถปรับเปลี่ยนข้อมูลความรู้นั้นให้ถูกต้องตามกาลเวลาได้” หวังว่าจะเป็นประโยชน์ และเป็นความรู้ติดตัวน้องๆ ไปไม่มากก็น้อยนะครับ