อดีตและปัจจุบันของกิโลกรัม

หนึ่งกิโลกรัมหนักเท่าไหร่? นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาปัญหาที่ดูเหมือนง่ายๆ นี้มานานหลายร้อยปีแล้ว

ในปี ค.ศ. 1795 ฝรั่งเศสได้ประกาศใช้กฎหมายที่กำหนดให้ “กรัม” คือ “น้ำหนักสัมบูรณ์ของน้ำในลูกบาศก์ที่มีปริมาตรเท่ากับหนึ่งในร้อยของเมตร ณ อุณหภูมิขณะที่น้ำแข็งละลาย (นั่นคือ 0°C)” ในปี ค.ศ. 1799 นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าปริมาตรของน้ำจะเสถียรที่สุดเมื่อความหนาแน่นของน้ำสูงที่สุดที่ 4°C ดังนั้นนิยามของกิโลกรัมจึงเปลี่ยนเป็น “มวลของน้ำบริสุทธิ์ 1 ลูกบาศก์เดซิเมตร ณ อุณหภูมิ 4°C” วิธีนี้ทำให้ได้กิโลกรัมแพลตตินัมบริสุทธิ์ ซึ่งกิโลกรัมนี้ถูกกำหนดให้เท่ากับมวลของมันเอง ซึ่งเรียกว่า “กิโลกรัมจดหมายเหตุ”

กิโลกรัมที่เก็บถาวรนี้ถูกใช้เป็นเกณฑ์มาตรฐานมาเป็นเวลา 90 ปีแล้ว ในปี ค.ศ. 1889 การประชุมนานาชาติว่าด้วยมาตรวิทยาครั้งที่ 1 ได้อนุมัติแบบจำลองโลหะผสมแพลตตินัม-อิริเดียมที่ใกล้เคียงกับกิโลกรัมที่เก็บถาวรมากที่สุด ให้เป็นกิโลกรัมต้นฉบับสากล น้ำหนักของ "กิโลกรัม" ถูกกำหนดโดยกระบอกสูบโลหะผสมแพลตตินัม-อิริเดียม (แพลตตินัม 90% อิริเดียม 10%) ซึ่งมีความสูงและเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 39 มิลลิเมตร และปัจจุบันถูกเก็บรักษาไว้ในห้องใต้ดินที่ชานเมืองปารีส

กิโลกรัมต้นฉบับสากล

นับตั้งแต่ยุคแห่งแสงสว่าง ชุมชนนักสำรวจได้มุ่งมั่นที่จะสร้างระบบการสำรวจที่เป็นสากล แม้ว่าการใช้วัตถุทางกายภาพเป็นเกณฑ์มาตรฐานในการวัดจะเป็นวิธีที่เป็นไปได้ แต่เนื่องจากวัตถุทางกายภาพอาจเสียหายได้ง่ายจากปัจจัยที่มนุษย์สร้างขึ้นหรือสภาพแวดล้อม ความมั่นคงจึงได้รับผลกระทบ และชุมชนนักสำรวจจึงต้องการยกเลิกวิธีการนี้โดยเร็วที่สุด

หลังจากที่หน่วยกิโลกรัมได้นำนิยามกิโลกรัมดั้งเดิมสากลมาใช้แล้ว คำถามที่นักมาตรวิทยากังวลอย่างมากก็คือ นิยามนี้มีเสถียรภาพแค่ไหน? มันจะคลาดเคลื่อนไปตามกาลเวลาหรือไม่?

ควรกล่าวว่าคำถามนี้ถูกหยิบยกขึ้นมาตั้งแต่ต้นของการนิยามหน่วยมวลกิโลกรัม ยกตัวอย่างเช่น เมื่อมีการนิยามหน่วยกิโลกรัมในปี พ.ศ. 2432 สำนักงานชั่งตวงวัดระหว่างประเทศ (International Bureau of Weights and Measures) ได้ผลิตตุ้มน้ำหนักโลหะผสมแพลตตินัม-อิริเดียม จำนวน 7 ชิ้น ซึ่งหนึ่งในนั้นเป็นตุ้มน้ำหนักโลหะผสมแพลตตินัม-อิริเดียม ตุ้มน้ำหนักกิโลกรัมต้นแบบนี้ใช้เพื่อนิยามหน่วยมวลกิโลกรัม และตุ้มน้ำหนักอีก 6 ชิ้นที่ทำจากวัสดุเดียวกันและผ่านกระบวนการเดียวกันนี้ ถูกนำมาใช้เป็นเกณฑ์มาตรฐานรอง เพื่อตรวจสอบว่ามีการเคลื่อนที่ของน้ำหนักระหว่างกันตามเวลาหรือไม่

ในขณะเดียวกัน ด้วยการพัฒนาของเทคโนโลยีความแม่นยำสูง เราจึงต้องการการวัดที่เสถียรและแม่นยำยิ่งขึ้น ดังนั้นจึงมีการเสนอแผนงานเพื่อนิยามหน่วยพื้นฐานสากลใหม่ด้วยค่าคงที่ทางกายภาพ การใช้ค่าคงที่เพื่อนิยามหน่วยการวัดหมายความว่านิยามเหล่านี้จะตอบสนองความต้องการของการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ในยุคต่อไป

ตามข้อมูลอย่างเป็นทางการของสำนักงานชั่งตวงวัดระหว่างประเทศ (International Bureau of Weights and Measures) ระบุว่า ในช่วง 100 ปี ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2432 ถึง พ.ศ. 2557 ความสม่ำเสมอของคุณภาพน้ำหนักกิโลกรัมมาตรฐานอื่นๆ และกิโลกรัมมาตรฐานสากลมีการเปลี่ยนแปลงประมาณ 50 ไมโครกรัม ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามีปัญหาเกี่ยวกับเสถียรภาพของเกณฑ์มาตรฐานทางกายภาพของหน่วยคุณภาพ แม้ว่าการเปลี่ยนแปลง 50 ไมโครกรัมจะดูเหมือนเล็กน้อย แต่ส่งผลกระทบอย่างมากต่ออุตสาหกรรมระดับสูงบางแห่ง

หากใช้ค่าคงที่ทางกายภาพพื้นฐานแทนค่ามาตรฐานทางกายภาพกิโลกรัม เสถียรภาพของหน่วยมวลจะไม่ได้รับผลกระทบจากพื้นที่และเวลา ดังนั้น ในปี พ.ศ. 2548 คณะกรรมการระหว่างประเทศว่าด้วยการชั่งตวงวัด (International Committee for Weights and Measures) จึงได้ร่างกรอบการทำงานสำหรับการใช้ค่าคงที่ทางกายภาพพื้นฐานเพื่อกำหนดหน่วยพื้นฐานของระบบหน่วยระหว่างประเทศ ขอแนะนำให้นำค่าคงที่ของพลังค์มาใช้ในการกำหนดหน่วยมวลกิโลกรัม และสนับสนุนให้ห้องปฏิบัติการระดับชาติที่มีความสามารถทำการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้อง

ดังนั้น ในการประชุมนานาชาติว่าด้วยมาตรวิทยาในปี 2018 นักวิทยาศาสตร์ได้ลงมติให้ยกเลิกต้นแบบหน่วยกิโลกรัมสากลอย่างเป็นทางการ และเปลี่ยนค่าคงที่ของพลังค์ (สัญลักษณ์ h) เป็นมาตรฐานใหม่เพื่อนิยาม "กิโลกรัม" ใหม่