อดีตและปัจจุบันของกิโลกรัม

หนึ่งกิโลกรัมหนักเท่าไหร่? นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาปัญหาที่ดูเหมือนง่ายนี้มานานหลายร้อยปีแล้ว

ในปี ค.ศ. 1795 ฝรั่งเศสได้ประกาศใช้กฎหมายกำหนด "กรัม" ว่าเป็น "น้ำหนักสัมบูรณ์ของน้ำในลูกบาศก์ที่มีปริมาตรเท่ากับหนึ่งในร้อยของเมตร ที่อุณหภูมิที่น้ำแข็งละลาย (คือ 0°C)" ในปี ค.ศ. 1799 นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าปริมาตรของน้ำจะคงที่ที่สุดเมื่อความหนาแน่นของน้ำสูงสุดที่ 4°C ดังนั้นนิยามของกิโลกรัมจึงเปลี่ยนไปเป็น "มวลของน้ำบริสุทธิ์ 1 ลูกบาศก์เดซิเมตรที่ 4°C" นี่จึงเป็นที่มาของกิโลกรัมดั้งเดิมที่ทำจากแพลทินัมบริสุทธิ์ โดยกิโลกรัมถูกกำหนดให้เท่ากับมวลของมัน ซึ่งเรียกว่ากิโลกรัมมาตรฐาน

กิโลกรัมที่เก็บรักษาไว้ในหอจดหมายเหตุนี้ถูกใช้เป็นมาตรฐานมาเป็นเวลา 90 ปีแล้ว ในปี ค.ศ. 1889 การประชุมนานาชาติว่าด้วยมาตรวิทยาครั้งแรกได้อนุมัติแบบจำลองโลหะผสมแพลทินัม-อิริเดียมที่ใกล้เคียงกับกิโลกรัมที่เก็บรักษาไว้ในหอจดหมายเหตุมากที่สุดให้เป็นกิโลกรัมมาตรฐานสากล น้ำหนักของ "กิโลกรัม" ถูกกำหนดโดยทรงกระบอกโลหะผสมแพลทินัม-อิริเดียม (แพลทินัม 90% อิริเดียม 10%) ซึ่งมีความสูงและเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 39 มิลลิเมตร และปัจจุบันถูกเก็บรักษาไว้ในห้องใต้ดินชานเมืองปารีส

กิโลกรัมดั้งเดิมระหว่างประเทศ

นับตั้งแต่ยุคแห่งการตรัสรู้ วงการสำรวจได้มุ่งมั่นที่จะสร้างระบบการสำรวจที่เป็นสากล แม้ว่าการใช้สิ่งของจริงเป็นจุดอ้างอิงในการวัดจะเป็นวิธีที่ใช้ได้ แต่เนื่องจากสิ่งของจริงนั้นเสียหายได้ง่ายจากปัจจัยที่มนุษย์สร้างขึ้นหรือปัจจัยทางสิ่งแวดล้อม ความเสถียรจึงได้รับผลกระทบ และวงการวัดจึงต้องการละทิ้งวิธีการนี้โดยเร็วที่สุด

หลังจากที่กิโลกรัมได้นำเอาคำจำกัดความกิโลกรัมมาตรฐานสากลมาใช้แล้ว มีคำถามหนึ่งที่นักมาตรวิทยาให้ความสนใจเป็นอย่างมาก คือ คำจำกัดความนี้จะมีความเสถียรมากน้อยเพียงใด และจะมีการเปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลาหรือไม่

ควรกล่าวว่าคำถามนี้ถูกหยิบยกขึ้นมาตั้งแต่เริ่มมีการกำหนดหน่วยมวลกิโลกรัมแล้ว ตัวอย่างเช่น เมื่อมีการกำหนดหน่วยกิโลกรัมในปี 1889 สำนักงานมาตรวิทยาและมาตรวัดระหว่างประเทศได้ผลิตตุ้มน้ำหนักกิโลกรัมที่ทำจากโลหะผสมแพลทินัม-อิริเดียมจำนวน 7 ชิ้น โดยหนึ่งในนั้นเป็นกิโลกรัมมาตรฐานสากลที่ใช้ในการกำหนดหน่วยมวลกิโลกรัม และอีก 6 ชิ้นที่ทำจากวัสดุเดียวกันและกระบวนการผลิตเดียวกันนั้นใช้เป็นเกณฑ์มาตรฐานรองเพื่อตรวจสอบว่ามีการเปลี่ยนแปลงไปจากเดิมหรือไม่เมื่อเวลาผ่านไป

ในขณะเดียวกัน ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีที่มีความแม่นยำสูง เราก็ต้องการการวัดที่เสถียรและแม่นยำยิ่งขึ้นเช่นกัน ดังนั้นจึงมีการเสนอแผนการกำหนดหน่วยพื้นฐานสากลใหม่โดยใช้ค่าคงที่ทางฟิสิกส์ การใช้ค่าคงที่ในการกำหนดหน่วยวัดหมายความว่าคำจำกัดความเหล่านี้จะตอบสนองความต้องการของการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ในยุคต่อไป

จากข้อมูลอย่างเป็นทางการของสำนักงานมาตรวิทยาและมาตรวัดระหว่างประเทศ ในช่วง 100 ปี ตั้งแต่ปี 1889 ถึง 2014 ความสม่ำเสมอของคุณภาพระหว่างกิโลกรัมมาตรฐานอื่นๆ กับกิโลกรัมมาตรฐานสากลมีการเปลี่ยนแปลงไปประมาณ 50 ไมโครกรัม ซึ่งแสดงให้เห็นว่ามีปัญหาเกี่ยวกับความเสถียรของมาตรฐานทางกายภาพของหน่วยวัดคุณภาพ แม้ว่าการเปลี่ยนแปลงเพียง 50 ไมโครกรัมจะดูเล็กน้อย แต่ก็ส่งผลกระทบอย่างมากต่ออุตสาหกรรมระดับสูงบางประเภท

หากใช้ค่าคงที่ทางฟิสิกส์พื้นฐานมาแทนที่หน่วยมาตรฐานทางกายภาพของกิโลกรัม ความเสถียรของหน่วยมวลจะไม่ได้รับผลกระทบจากพื้นที่และเวลา ดังนั้น ในปี 2548 คณะกรรมการระหว่างประเทศว่าด้วยมาตรวัดและหน่วยวัด จึงได้ร่างกรอบการใช้ค่าคงที่ทางฟิสิกส์พื้นฐานเพื่อกำหนดหน่วยพื้นฐานบางหน่วยของระบบหน่วยสากล โดยแนะนำให้ใช้ค่าคงที่ของพลังค์ในการกำหนดหน่วยมวลกิโลกรัม และสนับสนุนให้ห้องปฏิบัติการระดับชาติที่มีความสามารถดำเนินการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องต่อไป

ดังนั้น ในการประชุมนานาชาติว่าด้วยมาตรวิทยาประจำปี 2018 นักวิทยาศาสตร์จึงลงมติให้ยกเลิกมาตรฐานกิโลกรัมต้นแบบสากลอย่างเป็นทางการ และเปลี่ยนมาใช้ค่าคงที่ของพลังค์ (สัญลักษณ์ h) เป็นมาตรฐานใหม่ในการกำหนดนิยามของ "กิโลกรัม"