นับเป็นเวลานานร่วม 110 ปีทีเดียวที่ตุ้มน้ำหนักตุ้มหนึ่งได้ไปประดิษฐานอยู่ที่สถาบัน International Bureau of Weight and Measures ในกรุงปารีส ประเทศฝรั่งเศส ตุ้มน้ำหนักที่ว่านี้มีลักษณะเป็นทรงกระบอกสูง 4 เซนติเมตร และมีเส้นผ่าศูนย์กลางฐานยาว 4 เซนติเมตร ทำด้วยโลหะผสมระหว่างแพลททินัม 90 เปอร์เซ็นต์ กับอิริเดียม 10 เปอร์เซ็นต์ ตัวตุ้มถูกวางในครอบแก้ว 3 ชั้น และภาชนะนี้ทั้งชุดถูกปิดกั้นมิให้อากาศเล็ดลอดเข้าออกได้เลย คนทั้งโลกรู้จักน้ำหนักในนามเล่นๆ ว่า Le Grand K

เพราะ Le Grand K คือตุ้มน้ำหนักกิโลกรัมมาตรฐานหนึ่งเดียวที่โลกมีและคนทุกคนถือว่ามันมีน้ำหนัก 1.000,000,000,.... กิโลกรัมพอดี ไม่ขาดไม่เกิน และไม่เปลี่ยนแปลงใดๆ ดังนั้นสถาบัน IBWM ที่ปารีสจึงมีหน้าที่พิทักษ์และปกป้องตุ้มโลหะนี้ มิให้สูญหายและมิให้เปลี่ยนแปลงยิ่งกว่าอิสรภาพ ของฝรั่งเศสทีเดียว

เวลาคนทั่วไปพูดถึงหน่วยวัดต่างๆ ที่ใช้กันทุกวันนี้ เราก็รู้ว่าหน่วยวัดเวลาคือวินาที หน่วยวัดหน่วยความยาวคือความยาวของพระบาทพระเจ้าหลุยส์ หน่วยเวลาคือเวลาที่โลกหมุนไปได้ 1/86,400 รอบ ปัจจุบันนักวิทยาศาสตร์ได้เลิกใช้หน่วยวัดทำนองนี้แล้ว เพราะโลกหมุนรอบตัวเองแต่ละรอบใช้เวลาไม่เท่ากัน และพระเจ้าหลุยส์ก็สิ้นพระชนม์ไปแล้วเช่นกัน ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงได้กำหนดมาตรฐานของเวลาและระยะทางใหม่ โดยให้ถือว่าระยะทาง 1 เมตร คือระยะทางที่แสงเดินทางได้ในเวลา 1/299,792,458 วินาที และ 1 วินาทีคือเวลาที่คลื่นแสงอันเกิดจากอะตอมของธาตุ caesium 133 ปลดปล่อยมาได้เคลื่อนที่ผ่านไป 9,192,631,770 ลูก

ความกังวลที่ว่าโลกนี้ มีตุ้มน้ำหนักมาตรฐานแต่เพียงตุ้มเดียวได้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ประสบปัญหาในการทำงานมาก เพราะก๊อปปี้ทีสร้างใหม่จะทำยังไงๆ ก็ไม่มีวันเหมือนเดิม 100 เปอร์เซ็นต์ และ Le Grand K ก็ใช่ว่าจะหนัก 1.000,000,000 กิโลกรัมตลอดเวลา เพราะเวลานักวิทยาศาสตร์ทำความสะอาดมัน น้ำหนักของมันก็จะแปรปรวนอยู่ในช่วง 1 + 0.000,000,023 กิโลกรัม ซึ่งความแปรปรวนที่ "มาก" เช่นนี้ ทำให้ความเป็นมาตรฐานของมันด้อยคุณภาพ เป็นต้น

แต่ประเด็นที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์กังวลใจมากที่สุด คือ การที่โลกมีตุ้มน้ำหนักมาตรฐานแต่เพียงตุ้มเดียว ดังนั้นหากตุ้มน้ำหนักนี้ถูกโจรกรรมหรือระเบิด ความโกลาหลในวงการเทคโนโลยีทั่วโลกจะต้องเกิดตามมาอย่างไม่ต้องสงสัย วงการวิทยาศาสตร์จึงได้พยายามแก้ไขจุดบกพร่องนี้ โดยได้ตกลงกันกำหนดเกณฑ์กิโลกรัมมาตรฐานใหม่

เกณฑ์ที่ง่ายที่สุดเห็นจะเป็นการที่กำหนดว่า หนึ่งกิโลกรัมคือน้ำหนักของอะตอมจำนวนหนึ่ง แต่การที่จะนับอะตอมที่มีอยู่ถึง 1024 อะตอม (ล้าน ล้าน ล้าน ล้านอะตอม) ให้ครบนั้นไม่ใช่เรื่องที่ทำได้ง่ายเลย

เมื่อเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2540 คณะวิทยาศาสตร์ จากออสเตรเลีย ญี่ปุ่นและอิตาลี ได้ร่วมมือกันหาวิธีสร้างกิโลกรัมมาตรฐานใหม่ โดยใช้วิธีปลูกผลึกของ silicon แล้วทำให้มันเป็นทรงกลม จากนั้นเขาก็วัดเส้นผ่าศูนย์กลางของทรงกลม โดยใช้แสงเลเซอร์ที่สามารถวัดได้ละเอียดถึง 0.0000001 เมตร เมื่อได้ข้อมูลรัศมีของทรงกลม เขาก็สามารถคำนวณหาปริมาตรของทรงกลมได้ และเมื่อใช้แสงเอกซเรย์วิเคราะห์วัดระยะระหว่างอะตอมของ silicon เขาก็สามารถรู้ปริมาตรของหนึ่งอะตอมได้ ดังนั้นเมื่อเอาปริมาตรของทรงกลมหารด้วยปริมาตรของอะตอม เขาก็จะรู้จำนวนอะตอมที่มีในทรงกลมทันที และเมื่อรู้น้ำหนักของอะตอม 1 อะตอมเขาก็รู้น้ำหนักของทรงกลมทั้งลูก

ข้อเสียของวิธีนี้คือ ทรงกลมที่ใช้ในการวัดนั้นอาจจะไม่กลมทีเดียวนัก ดังนั้นการหาปริมาตรของทรงกลมจะมีโอกาสผิดพลาด และเหตุผลสำคัญที่ทำให้วิธีนี้ "ไม่ดี" คือ ตามปกติอะตอมของ silicon มิได้เป็นอะตอมชนิดเดียวกันหมด ดังนั้นวิธีนี้จึงยังไม่เป็นที่ยอมรับกันมากในการกำหนดให้เป็นกิโลกรัมมาตรฐาน

ส่วนนักวิทยาศาสตร์จากเยอรมนีและจีน มีโครงการใช้วิธีทำให้อะตอมของทองคำแตกตัวเป็นอิออน (อิออนคืออะตอมที่สูญเสียอิเล็กตรอน) ซึ่งเมื่อทำให้อิออนเคลื่อนที่จะได้กระแสไฟฟ้า โดยการวัดปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหล เขาก็จะสามารถรู้จำนวนอิออน และหากใช้ภาชนะเย็นรองรับอิออนร้อน แล้วชั่งน้ำหนักของอิออนที่มาเกาะจับ คณะนักวิทยาศาสตร์กลุ่มนี้หวังใช้วิธีการนี้เป็นเกณฑ์ในการทำกิโลกรัมมาตรฐานในอีก 2 ปีข้างหน้าครับ

---

ที่มา : ดร.สุทัศน์ ยกส้าน สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.)