ถึงแม้สังคมมนุษย์ตั้งแต่ยุคอารยธรรมอียิปต์โบราณ จะมีการจัดระเบียบมาตรฐานของหน่วยชั่งตวงวัด แต่มักอยู่บนพื้นฐานของการเทียบวัดกับวัตถุสิ่งของที่ไม่มีความแน่นอนในการให้ค่าปริมาณที่วัดเป็นค่าเดียวกัน

อาทิ หน่วยความยาวคิวบิต (cubit) ที่นิยามเป็นระยะจากปลายนิ้วถึงข้อศอก

หรือหน่วยฟุต ที่ต้นกำเนิดจากความยาวเท้าของมนุษย์

จนกระทั่งการมาถึงของยุคเรืองปัญญา (Enlightenment) และการปฏิวัติอุตสาหกรรม (Industrial Revolution) ที่วิทยาศาสตร์เกิดการพัฒนาแบบก้าวกระโดด และนำไปสู่การเกิดมาตรฐานการวัดแบบสมัยใหม่ ที่ความแน่นอนแม่นยำ และมีความเป็นสากลที่ใช้ร่วมกันในแต่ละภูมิภาค

ฝรั่งเศสในยุคหลังการปฏิวัติฝรั่งเศส คือจุดเริ่มต้นของการสร้างมาตรฐานการวัดยุคใหม่

สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติ (Académie des Sciences) กำหนดมาตรฐานหน่วยเมตร โดยความยาว 1 เมตร คือระยะหนึ่งในสิบล้านส่วนของความยาวของเส้นเมอริเดียนที่ผ่านกรุงปารีส จากขั้วโลกเหนือถึงเส้นศูนย์สูตร

โดยได้ส่ง 2 นักดาราศาสตร์ฝรั่งเศสคือ ฌ็อง-บาติสต์ เดอลองเบรอ (Jean-Baptiste Delambre) และปีแยร์ เมอแชง (Pierre Méchain) เดินทางไปวัดความยาวของโค้งเมอริเดียนจากหอระฆัง เมืองดันเคิร์ก ลงไปถึงเขามงต์จุยก์ เมืองบาร์เซโลนา เพื่อระยะที่วัดได้มาทำเมตรมาตรฐาน (Métre des Archives) ครั้งแรก ในปี ค.ศ.1799

ซึ่งเป็นปีเดียวกับที่มีการจัดทำมวลมาตรฐานกิโลกรัม (Kilogramme des Archives) ขึ้น ทำจากโลหะแพลตตินัม 100% และเป็นตามนิยามมาตราหน่วย 1 กรัม เท่ากับน้ำหนักของน้ำ 1 ลูกบาศก์เซนติเมตร ที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียส

ซึ่งเป็นจุดที่น้ำมีความหนาแน่นสูงสุด

หน่วยกิโลกรัมและเมตร เป็นหน่วยของระบบหน่วยที่เรียกว่าระบบหน่วยเมตริก (metric unit system) ซึ่งอยู่บนพื้นฐานตัวเลขหลักสิบและอาศัยการใช้คำนำหน้าหน่วยเพื่อแบ่งหรือทวีคูณปริมาณด้วยจำนวนเท่าของสิบ อาทิ มิลลิ- (หนึ่งในพัน) เซนติ- (หนึ่งในร้อย) หรือกิโล- (พัน) เป็นต้น

ดังนั้น มวล 1 มิลลิกรัม เท่ากับหนึ่งในพันของ 1 กรัม หรือหนึ่งในล้านของ 1 กิโลกรัม

นโยบายปรับหน่วยวัดทุกอย่างให้อยู่บนพื้นฐานของหลักสิบของรัฐบาลสาธารณรัฐฝรั่งเศสหลังการปฏิวัติ ไม่ได้ใช้กับแค่หน่วยของน้ำหนักและความยาว แต่ยังลามไปถึงการใช้กับหน่วยของเวลาด้วย

กล่าวคือ ใน 1 วันมี 10 ชั่วโมง ใน 1 ชั่วโมง มี 100 นาที และใน 1 นาที มี 100 วินาที

ซึ่งเท่ากับว่า 1 ชั่วโมงในสมัยหลังการปฏิวัติฝรั่งเศส จะเทียบเท่า 2 ชั่วโมง กับอีก 24 นาที ของหน่วยเวลาที่ใช้กันในปัจจุบัน

โดยข้อได้เปรียบอย่างหนึ่งของระบบหน่วยเมตริกคือ มนุษย์คุ้นเคยกับเลขระบบหลักสิบ ดังนั้น ความสูง 1 เมตร 80 เซนติเมตร คือ 1.80 เมตร

ขณะที่ในระบบหน่วยอิมพีเรียล ซึ่งใช้กันในเครือจักรภพอังกฤษในห้วงเวลานั้น ความสูง 5 ฟุต 9 นิ้ว จะไม่ใช่ 5.9 ฟุต แต่เป็น 5.75 ฟุต เพราะ 1 ฟุตมี 12 นิ้ว

แม้หน่วยเวลาในระบบหน่วยหลักสิบจะถูกยกเลิกไปสมัยนโปเลียนขึ้นมาเป็นผู้นำประเทศ

แต่เมตรและกิโลกรัมยังคงเป็นหน่วยที่ได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลายในสมัยต่อมา

จนนำไปสู่การประชุมนานาชาติเพื่อลงนามในอนุสัญญาหน่วยเมตร (Convention du Métre) ที่ปารีส ในวันที่ 20 พฤษภาคม ค.ศ.1875 โดยมี 17 ประเทศเข้าร่วมประชุม

ผลของอนุสัญญานำไปสู่การจัดตั้งสำนักงานมาตรฐานน้ำหนักและการวัดนานาชาติ (Bureau International des Poids et Mesures – BIPM) เพื่อดูแลมาตรฐานของหน่วยระดับนานาชาติ

และดำริที่จะจัดทำแท่งเมตรมาตรฐานและกิโลกรัมมาตรฐานเพื่อนิยามหน่วยเมตรและกิโลกรัม โดยในการจัดทำชุดแรกมีแท่งเมตรต้นแบบ 30 แท่ง และมวลกิโลกรัมต้นแบบ 40 ชิ้น ทำจากโลหะผสมระหว่างแพลตตินัม 90% และอิริเดียม 10%

โดยมีการคัดเลือกแท่งเมตรและมวลกิโลกรัมต้นแบบที่เหมาะสมที่สุดเป็นแท่งเมตรต้นแบบนานาชาติ (International Prototype Metre, IPM) และกิโลกรัมต้นแบบนานาชาติ (International Prototype Kilogram, IPK)

หรือที่มีชื่อเล่นเรียกกันว่า เลอ กรองด์ กา (Le Grand K – เค ที่ยิ่งใหญ่) ซึ่งถูกเก็บรักษาอยู่ที่สำนักงานของ BIPM ที่เมืองเซเวร์ ประเทศฝรั่งเศส เพื่อเป็นตัวกำหนดนิยามหน่วยเมตรและกิโลกรัมที่แท้จริงของโลก

ส่วนต้นแบบตัวอื่นได้ส่งต่อให้ประเทศต่างๆ เพื่อเป็นมาตรฐานเมตรและกิโลกรัมของประเทศนั้น

โดยอาจมีการส่งกลับไปสอบเทียบกับ IPM และ IPK ในบางครั้ง เพื่อรักษามาตรฐานเมตรและกิโลกรัม

เมื่อเข้าสู่ต้นศตวรรษที่ 20 การเติบโตของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในแขนงใหม่ โดยเฉพาะด้านไฟฟ้าและแม่เหล็ก นำไปสู่ความต้องการให้มีการปรับมาตรฐานหน่วยของนานาชาติให้ครอบคลุมองค์ความรู้ใหม่นี้ จึงเกิดระบบหน่วยที่เรียกว่าระบบหน่วยนานาชาติ (Le Systéme International d”Unit?s) หรือระบบหน่วยเอสไอ (SI units) ซึ่งเป็นระบบหน่วยมาตรฐานสากลที่ใช้กันทั่วโลกในปัจจุบัน

โดยระบบหน่วยเอสไอ จะประกอบด้วยหน่วยฐาน (base unit) 7 หน่วย คือ 1) กิโลกรัม (kg) หน่วยของมวล 2) เมตร (metre, m) หน่วยของระยะ 3) วินาที (s) หน่วยของเวลา 4) แอมแปร (A) หน่วยของกระแสไฟฟ้า 5) เคลวิน (K) หน่วยอุณหภูมิ 6) โมล (mol) หน่วยของปริมาณสสาร และ 7) แคนเดลา (cd) หน่วยของความเข้มการส่องสว่าง

ส่วนหน่วยอื่นนอกจากนี้ ล้วนเกิดมาจากหน่วยฐาน 7 หน่วยนี้

อาทิ หน่วยเฮิร์ตซ์ของความถี่ มาจากหน่วยวินาที เพราะ 1 เฮิร์ตซ์คือ 1 รอบต่อวินาที

หรือหน่วยนิวตันของแรง มาจากหน่วยของมวล ระยะ และเวลา เพราะแรง 1 นิวตัน คือ แรงที่ทำให้มวล 1 กิโลกรัม มีอัตราเร่ง 1 เมตรต่อวินาทีกำลังสอง

นอกจากนี้ การนิยามหน่วยถูกทยอยปรับเปลี่ยนให้อยู่บนพื้นฐานของสิ่งที่ถาวร ไม่แปรเปลี่ยน

ดังที่ครั้งหนึ่งเจมส์ เคลิร์ก แมกซ์เวลล์ นักฟิสิกส์คนสำคัญแห่งยุคเรืองปัญญาของสกอตแลนด์และผู้วางรากฐานฟิสิกส์สนามไฟฟ้าและแม่เหล็ก ได้เสนอแนวคิดของการสร้างมาตรฐานของหน่วย ณ ที่ประชุมขององค์กรความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์แห่งบริติช เมืองลิเวอร์พูล ในปี ค.ศ.1870 ว่า

“ถ้าเราต้องการได้มาซึ่งมาตรฐานของความยาว เวลาและมวล ที่จะคงอยู่ถาวรอย่างแท้จริง เราจะต้องไม่ไปเทียบกับขนาดหรือการเคลื่อนที่ หรือมวลของโลกนี้ แต่ควรเทียบกับความยาวคลื่น คาบของการสั่น และมวลสัมบูรณ์ของโมเลกุลที่ทำลายไม่ได้และไม่เปลี่ยนแปลง”1

ดังนั้น นิยามหน่วยฐานยุคใหม่จึงปรับเปลี่ยนไปเทียบเคียงกับค่าคงตัวทางฟิสิกส์มากขึ้น ไม่จำเป็นต้องมีการวัดเทียบหน่วยกับวัตถุเฉพาะที่ไหนอีกต่อไป เพราะสิ่งที่เทียบเคียงคือสิ่งที่มีอยู่ในธรรมชาติ ทุกตำแหน่งแห่งหนบนโลกจะเข้าถึงมาตรฐานหน่วยเดียวกันโดยสมบูรณ์

นิยามหน่วยฐานยุคใหม่ อย่าง 1 วินาที จึงไม่ใช่เวลาหนึ่งใน 86,4000 ส่วนของหนึ่งวัน ดังเช่นที่ใช้กันในอดีต ซึ่งเป็นนิยามที่หละหลวม แต่ปัจจุบัน 1 วินาที เท่ากับเวลาที่คลื่นรังสีจากการย้ายระดับชั้นพลังงานไฮเปอร์ไฟน์ของอะตอมซีเซียม-133 แปรเปลี่ยนไป 9,192,631,770 รอบ หรือนิยามของ 1 เมตร ได้ยุติการเทียบเคียงกับแท่งเมตรมาตรฐานที่ฝรั่งเศสมาตั้งแต่ปี ค.ศ.1960 และนิยาม 1 เมตรในปัจจุบันเป็นนิยามอ้างอิงกับค่าอัตราเร็วของแสงในสุญญากาศ

โดย 1 เมตร คือระยะทางที่แสงใช้เวลาเดินทางหนึ่งใน 299,792,458 ส่วนของหนึ่งวินาที จนกระทั่งในศตวรรษที่ 21 นี้ เราเหลือเพียงแค่หน่วยเดียวเท่านั้น ที่ยังคงเทียบเคียงกับวัตถุ นั่นคือ กิโลกรัม

แม้ว่าในรอบศตวรรษที่ผ่านมา มวลของ “เลอ กรองด์ กา” และมวลต้นแบบที่เก็บอยู่ในประเทศต่างๆ จะมีความผันผวนเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม

เรากำลังมี 1 กิโลกรัม ที่ไม่เท่ากัน ณ แต่ละหนแห่งบนโลกใบนี้

แต่นิยาม มวล 1 กิโลกรัม ก็ยังคงใช้มวลของ “เลอ กรองด์ กา” จนถึงขณะนี้

กระทั่งเมื่อวันที่ 16 พฤศจิกายนที่ผ่านมานี้ มติจากการประชุมทั่วไปเรื่องน้ำหนักและการวัดครั้งที่ 26 (Conférence Générale des Poids et Mesures) ที่แวร์ซาย ได้นิยามหน่วย 1 กิโลกรัม ใหม่คือมวลที่ให้ค่าคงตัวของพลังก์ (Planck”s constant) ? = 6.62607015 x 10-34 กิโลกรัม?เมตร2/วินาที โดยนิยามใหม่ของมวล 1 กิโลกรัมนี้ เกิดขึ้นได้ด้วยเพราะการกำเนิดของเครื่องชั่งมวลชนิดใหม่ที่เรียกว่า เครื่องชั่งคิบเบิล (Kibble balance) ที่ตั้งชื่อตามไบรอัน คิบเบิล นักฟิสิกส์ของสหราชอาณาจักรที่สร้างเครื่องชั่งนี้ขึ้น

โดยการทำงานของเครื่องชั่งมวลคิบเบิล ไม่ได้ชั่งมวลจากสมดุลของแรงโน้มถ่วงที่กระทำระหว่างมวลที่วัดและมวลเปรียบเทียบเหมือนเครื่องช่างที่คุ้นเคยกัน

แต่เป็นการชั่งมวลโดยอาศัยสมดุลระหว่างแรงโน้มถ่วงกับแรงเชิงไฟฟ้าแม่เหล็ก (electromagnetic force) และความแม่นยำของการวัดค่ามวลของเครื่องชั่งคิบเบิลจะขึ้นอยู่กับการวัดความต่างศักย์ไฟฟ้าที่แม่นยำที่อาศัยปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าเชิงควอนตัมของตัวนำไฟฟ้ายิ่งยวด (superconductor)

จึงทำให้สามารถนิยามมวล 1 กิโลกรัม เทียบเคียงกับค่าคงตัวของพลังก์ที่เป็นค่าคงตัวพื้นฐานทางฟิสิกส์ควอนตัม

นิยามใหม่ของ 1 กิโลกรัม รวมทั้งการปรับเปลี่ยนนิยามหน่วยฐานเอสไอหน่วยอื่นจากมติการประชุมเรื่องมาตรฐานหน่วยที่ผ่านมานี้ จะเป็นก้าวเข้าสู่ยุคใหม่ของมาตรฐานหน่วยอย่างสมบูรณ์ นั่นคือ มาตรฐานหน่วยจะอิงกับค่าคงที่ทางฟิสิกส์ ไม่ต้องมีต้นแบบมาตรฐานหน่วยในรูปของวัตถุใดๆ อีกต่อไป

โดยการปรับเปลี่ยนครั้งสำคัญนี้ จะเริ่มต้นวันที่ 20 พฤษภาคมปีหน้า ซึ่งจะครบรอบ 144 ปีของการกำเนิด “เลอ กรองด์ กา” จากการประชุมนานาชาติเรื่องมาตรฐานของหน่วยครั้งแรก

จึงถือเป็นวาระโอกาสที่เหมาะสมที่จะเป็นการบอกลา “เลอ กรองด์ กา” ไปตลอดกาล … Au revoir Le Grand K

1Giuseppe, A. Di. Metrology and Physical Constants. IOS Press, 2013.