×

นิยามกิโลกรัมอาจเปลี่ยนไป นักฟิสิกส์เตรียมยกเครื่องมาตรวัดกิโลกรัมใหม่

01.08.2017
  • LOADING...

HIGHLIGHTS

5 mins read
  • มวลมาตรฐาน 1 กิโลกรัมที่มีชื่อว่า Le Grand K ถูกสร้างขึ้นจากโลหะผสมระหว่างแพลตินัม 90% และอิริเดียม 10% ปัจจุบันเครื่องชั่งต่างๆ ทั่วโลกล้วนอ้างอิงมาตรฐานจากมวลสารก้อนนี้
  • ในปี ค.ศ. 1889 นักฟิสิกส์ได้นัดกันเอามวลสารดังกล่าวมาชั่งเปรียบเทียบกัน และนักฟิสิกส์ต้องตกใจ เพราะผลจากการชั่งเปรียบเทียบในปี 1989 พบว่ามวลที่เอามาชั่งเทียบกันมีการเปลี่ยนแปลง!
  • ล่าสุด นักวิจัยจากประเทศเยอรมนีพัฒนาอุปกรณ์ที่เรียกว่า Planck Balance ได้สำเร็จ และสามารถนำไปใช้เพื่อทำการตั้งค่ามาตรฐานให้กับตาชั่งอื่นๆ ได้ทั่วโลกด้วยความแม่นยำและละเอียดสูงมาก

ในโลกวิทยาศาสตร์ การวัดปริมาณต่างๆ ให้แม่นยำนั้นเป็นสิ่งสำคัญมาก แต่สิ่งที่สำคัญไม่แพ้กันคือการกำหนดนิยามของปริมาณต่างๆ ให้ชัดเจนและเหมาะสม ซึ่งปริมาณที่มีปัญหาในการนิยามที่สุดอย่างหนึ่งคือมวล (Mass) ที่เราวัดกันในหน่วยกิโลกรัม

 

แท่งโลหะที่เห็นในภาพนี้คือ มวลมาตรฐาน 1 กิโลกรัมที่ถูกครอบเก็บไว้อย่างดีไม่ให้อากาศเล็ดลอดเข้าออกได้

 

มวลก้อนนี้มีชื่อว่า Le Grand K หรือ International Prototype Kilogram (IPK) ถูกเก็บไว้ที่สำนักงานชั่งตวงวัดระหว่างชาติ (BIPM) ในประเทศฝรั่งเศส มันถูกสร้างขึ้นจากโลหะผสมระหว่างแพลตินัม 90% และอิริเดียม 10% เป็นรูปทรงกระบอกเล็กๆ ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางและความสูง 3.917 เซนติเมตร

 

 

เหตุผลที่ใช้โลหะแพลตินัมก็เพราะ แพลตินัมเป็นโลหะที่มีคุณสมบัติเหมาะสมหลายอย่าง หนึ่งในนั้นคือการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันกับออกซิเจนและน้ำในอากาศได้ยากมาก ผลของปฏิกิริยาดังกล่าวส่งผลให้โลหะเกิดสนิมและเกิดการสึกกร่อนนั่นเอง ส่วนที่เติมอิริเดียมเข้าไปก็เพื่อให้มันมีความแข็งมากขึ้น

 

ในปัจจุบันเครื่องชั่งต่างๆ ทั่วโลกล้วนอ้างอิงมาตรฐานจากมวลสารก้อนนี้

 

โดยทฤษฎีแล้ว การนิยามมวลมาตรฐานจากอะตอมน่าจะชัดเจนและพื้นฐานที่สุด แต่เนื่องจากปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถหาวิธีวัดและสร้างมวลของสิ่งเล็กๆ ในระดับอะตอมให้รวมกันได้ 1 กิโลกรัมอย่างเที่ยงตรงเท่ากับการวัดมวลของสิ่งใหญ่ๆ ให้แม่นยำ เราจึงใช้วิธีนี้กันอยู่

 

ทว่านิยามกิโลกรัมโดยการกำหนดมวลมาตรฐานในลักษณะนี้มีปัญหาหลักๆ 2 ข้อ

 

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!

 

ความเปลี่ยนแปลงดังกล่าวอยู่ในระดับไมโครกรัม ซึ่งน้อยมากๆ สำหรับชีวิตประจำวัน แต่สำหรับนักฟิสิกส์นั้นเป็นเรื่องใหญ่และซีเรียส เพราะนักฟิสิกส์ต้องการนิยามที่แม่นยำสมบูรณ์แบบ แบบเป๊ะๆ เพราะถ้ามาตรฐานเกิดเปลี่ยนเสียเองแล้วจะเชื่อถือสิ่งใดได้เล่า ปัญหานี้ทำให้นักฟิสิกส์เริ่มเกิดอาการวิตกจริต พารานอยด์ และพยายามมองหาสาเหตุของความเปลี่ยนแปลงดังกล่าว

 

ปัญหาดังกล่าวทำให้ทุกวันนี้นักฟิสิกส์ด้านการชั่งตวงวัด หรือมาตรวิทยา (Metrology) เริ่มมองหาวิธีการกำหนดมวลสารที่มีประสิทธิภาพกว่าเดิม เพราะตอนนี้ปัญหาการเปลี่ยนแปลงของมวลสารดังกล่าวนับเป็นเรื่องใหญ่

 

 

ล่าสุด นักวิจัยจากประเทศเยอรมนีสามารถพัฒนาอุปกรณ์ที่เรียกว่า Planck Balance ได้สำเร็จ

 

อุปกรณ์ดังกล่าวเป็นเครื่องชั่งที่ไม่ได้ชั่งน้ำหนักเหมือนเครื่องชั่งอื่นๆ แต่มันเป็นเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ที่เชื่อมโยงมวลเข้ากับค่าคงที่ของพลังค์ (Planck’s constant) ซึ่งเป็นค่าคงที่พื้นฐานในธรรมชาติ

 

แน่นอนว่าอุปกรณ์นี้สามารถนำไปใช้เพื่อทำการตั้งค่ามาตรฐานให้กับตาชั่งอื่นๆ ได้ทั่วโลกด้วยความแม่นยำและละเอียดสูงมาก

 

หลักการทำงานคือ เมื่อวางมวลที่ต้องการวัดค่าลงไปที่ด้านหนึ่งของตาชั่ง (ซึ่งสามารถวางได้ตั้งแต่ระดับมิลลิกรัมจนถึงหนึ่งกิโลกรัม) อีกด้านหนึ่งจะมีการถ่วงให้เกิดสมดุลด้วยแรงทางไฟฟ้า ซึ่งแรงทางไฟฟ้านั้นเชื่อมโยงกับค่าคงที่ของพลังค์

 

 

อย่างไรก็ตาม ยังมีอีกสองวิธีที่ได้รับการพิจารณาอยู่นั่นคือ Avogadro Experiment ซึ่งจะสร้างผลึกที่มีความสมบูรณ์แบบสูงจนสามารถระบุจำนวนอะตอมในนั้นได้

 

อีกวิธีเรียกว่า Watt Balance ซึ่งมีหลักการทำงานคล้ายๆ กับ Planck Balance

 

งานประชุม The 26th General Conference on Weights and Measures ที่จะจัดขึ้นในเดือนพฤศจิกายน ปี ค.ศ. 2018 อาจมีการนิยามกิโลกรัมขึ้นใหม่

 

แต่จะด้วยวิธีไหนนั้น คงต้องลุ้นกัน

 

อ้างอิง:

  • LOADING...

READ MORE






Latest Stories

Close Advertising