บรรดานักฟิสิกส์นักวิทยาศาสตร์ตั้งแต่สมัยโบราณต่างก็มีความสงสัยใคร่รู้ ช่างสังเกต และตั้งคำถามกับสิ่งต่าง ๆ รอบตัวตลอดเวลาซึ่งเป็นเหตุผลที่มนุษย์เป็นสิ่งมีชีวิตที่ชาญฉลาดที่สุดในโลก มีการประดิษฐ์คิดค้นนวัตกรรมใหม่ ๆ ที่พัฒนาและต่อยอดตลอดเวลา แต่ว่าเผ่าพันธุ์มนุษย์จะไม่มาถึงจุดนี้ถ้าการตั้งคำถามหรือข้อสันนิษฐานต่าง ๆ นั้น “ไม่มีคำตอบ” ยกตัวอย่างเช่น วัตถุก้อนนี้มีขนาดเท่าไหร่ มีมวลเท่าไหร่ ระยะทางที่ใช้เดินทางจากเมืองหนึ่งไปยังอีก
เมืองนั้นเป็นระยะทางเท่าไหร่ เพื่อการตอบคำถามเหล่านี้ พวกเราจึงต้องสร้างอุปกรณ์การวัดมากมาย เช่น ไม้เมตร, ตาชั่ง และนาฬิกาจับเวลา ในทางฟิสิกส์การวัดปริมาณต่าง ๆ จะมีหน่วยในการวัดเพื่อทำให้เกิดมาตรฐานเดียวกัน บนฐานความเข้าใจเดียวกัน เช่น เมื่อเรามีการจัดการแข่งขันกรีฑา เราจำเป็นที่จะต้องกำหนดระยะทางของการแข่งขัน ซึ่งโดยปกติแล้วระยะทางนั้นก็จะถูกกำหนดเป็นหน่วยเมตรสำหรับการวิ่งระยะสั้นถึงปานกลาง แต่ถ้าหากเป็นการวิ่งในระยะทางที่ไกลขึ้น ก็จะถูกกำหนดด้วยหน่วยกิโลเมตร ผู้อ่านลองนึกดูว่าถ้าเราไม่กำหนดหน่วยขึ้นมา จะเกิดความสับสนมากเพียงใด
ภาพที่ 1 เครื่องมือวัดระยะและมุม
ที่มา https://pixabay.com, OpenClipart-Vectors
ระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศ คือ หน่วยที่ถูกกำหนดขึ้นมาให้ใช้เป็นมาตรฐานนานาชาติเพื่ออธิบายปริมาณพื้นฐานทางฟิสิกส์ 7 อย่าง อันได้แก่ ความยาว, มวล, เวลา, กระแสไฟฟ้า, อุณหภูมิ, ปริมาณสาร และ ความสว่างของแสง โดยหน่วยสากลนี้มี 2 ระบบหลัก ๆ คือ
- หน่วย SI (the International System of Units) หรืออีกชื่อว่า ระบบเมตริกซ์
- English Unit หรือ Imperial system
โดยหน่วย English Unit มักจะใช้งานในประเทศที่ครั้งหนึ่งเคยถูกปกครองโดยจักรวรรดิอังกฤษ แต่ในทุกวันนี้มีเพียงไม่กี่ประเทศที่ใช้หน่วยอังกฤษอย่างกว้างขวาง ประเทศนั้นคือสหรัฐอเมริกาและสหราชอาณาจักร ส่วนในประเทศอื่น ๆ ของโลกมักจะใช้หน่วย SI เป็นมาตรฐานหลัก ซึ่งก็เป็นหน่วยที่บรรดานักคณิตศาสตร์นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกนิยมใช้ที่สุดด้วย
อย่างที่กล่าวไปข้างต้นว่าหน่วยสำคัญพื้นฐานทางฟิสิกส์นั้นมี 7 อย่างหลัก ๆ ดังนั้นเราจึงมักจะเห็นการใช้งานหน่วยทั้ง 7 นี้มากกว่าหน่วยอื่น ๆ เช่น หน่วยของแรง, ความเร็ว, ความเร่ง ที่มักจะเห็นได้น้อยกว่า และหน่วยทั้ง 7 ของฟิสิกส์ได้แก่
หน่วยของระยะทาง = เมตร (m)
หน่วยของมวล = กิโลกรัม (kg)
หน่วยของกระแสไฟฟ้า = แอมแปร์ (A)
หน่วยของอุณหภูมิ = เคลวิน (K)
หน่วยของปริมาณสาร = โมล (mol)
หน่วยของความสว่าง = แคนเดล่าห์ (cd)
นอกจากนี้หน่วยยังสามารถเกิดขึ้นได้มากมายนับไม่ถ้วน เพราะปริมาณของสิ่งต่าง ๆ ทั้งในโลกและนอกโลกของเรามีไม่จำกัดดังนั้นหน่วยต่าง ๆ ก็ต้องรองรับการตรวจวัดปริมาณทั้งหมดนั้น ซึ่งการที่หน่วยใหม่ ๆ จะเกิดขึ้นได้ก็มาจากการคำนวณทางคณิตศาสตร์ โดยที่เราจะเรียกหน่วยเกิดใหม่ทางคณิตศาสตร์เหล่านั้นว่า หน่วยอนุพัทธ์เอสไอ ( SI derived Units)
เมตร
คำนิยามของหน่วยที่เอาไว้ใช้วัดระยะทางอย่างหน่วยเมตรนั้น มีการเปลี่ยนแปลงตลอดเพื่อให้เกิดความแม่นยำและถูกต้องมากขึ้นไปเรื่อย ๆ ในปี ค.ศ. 1791 หน่วยเมตรถูกนิยามว่า 1 เมตร มีระยะทางเท่ากับระยะทาง 1/10,000,000 จากเส้นศูนย์สูตรของโลกไปยังขั้วโลกเหนือ ล่าสุดในปี ค.ศ. 1983 (ในระหว่าง 1791-1983 ก็มีการนิยามใหม่อยู่บ้าง) หน่วยเมตร ถูกนิยามใหม่ให้ 1 เมตร มีค่าเท่ากับระยะทางที่แสงเดินทางในสุญญากาศในเวลา 1/ 299,792,458 วินาที
กิโลกรัม
หน่วยนี้น่าสนใจตรงที่ว่าเพิ่งมีการเปลี่ยนแปลงนิยามใหม่จากวัตถุทางกายภาพมาเป็นอิงจากค่าคงที่มูลฐานทางฟิสิกส์ เพื่อแก้ปัญหาที่เกิดขึ้น โดยนิยามเดิมนั้นเราอิงจาก Le Grand K (วัตถุทรงกระบอกที่ใช้เป็นมาตรฐาน 1 kg) ซึ่งใช้กันมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1889 แต่นักวิทยาศาสตร์ก็พบว่าถึงแม้จะเล็กน้อยแต่น้ำหนักของมันก็ลดลงไปเรื่อย ๆ ซึ่งเป็นผลมาจากการสลายของวัตถุทางกายภาพ แต่ในยุคปัจจุบันนี้เราต้องการการวัดที่แม่นยำสูงมากขึ้นเพื่อการพัฒนาต่อยอดงานวิจัย ดังนั้นในปี ค.ศ. 2018 บรรดานักวิทยาศาสตร์จึงรวมตัวกันจัดประชุมเพื่อการเปลี่ยนแปลงนิยามของหน่วยกิโลกรัมเสียใหม่ โดยได้ข้อสรุปคือการเปลี่ยนไปใช้ Kibble balance ซึ่งใช้หลักการของแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnets) ที่สามารถทำให้เกิดแรงได้ โดยมีแม่เหล็กไฟฟ้าดึงลงที่ด้านหนึ่ง อีกด้านหนึ่งเป็นมวลเช่น มวล 1 กิโลกรัม และกระแสไฟฟ้าที่ผ่านไปยังแม่เหล็กไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นจนทั้งสองข้างของ Kibble balance สมดุลกัน และนี่คือเรื่องราวของความสำคัญของหน่วยวัดและปริมาณทางฟิสิกส์ที่น่าจะเป็นประโยชน์กับผู้อ่านทุกท่าน
“เพราะการไม่เขียนหน่วยในกระดาษคำตอบ ทำให้การคำนวณก่อนหน้าทั้งหมดนั้นไร้ค่า”
แหล่งที่มา
cobMSuK0@6. 1.3 The Language of Physics: Physical Quantities and Units. Retrieved Aug 10, 2019, From https://www.texasgateway.org/resource/13-language-physics-physical-quantities-and-units
Margaret Rouse. (March 2011). International System of Units (SI). Retrieved Aug 10, 2019, From https://whatis.techtarget.com/definition/International-System-of-Units-SI
National Physical Laboratory. (Unknown). SI units. Retrieved Aug 10, 2019, From https://www.npl.co.uk/si-units
