🔊⚖️ "Si-28" วัตถุที่กลมที่สุดในโลก พลิกโฉมจักรวาลมาตรวัดเมตริก

กระทู้สนทนา

[Spoil] คลิกเพื่อดูข้อความที่ซ่อนไว้🔵 ลูกกลมที่สุดในโลก ที่อาจเปลี่ยนนิยามของน้ำหนักไปตลอดกาล ⚖️✨
ภาพที่คุณเห็นนี้… ไม่ใช่ลูกแก้วธรรมดา แต่มันคือ “ทรงกลมซิลิคอน-28” วัตถุที่มนุษย์สร้างขึ้นให้กลมได้ใกล้เคียงกับทรงกลมสมบูรณ์แบบที่สุดเท่าที่เคยมีมา

มันถูกพัฒนาขึ้นโดยทีมนักวิทยาศาสตร์จากหลายประเทศ ภายใต้โครงการ Avogadro Project
เป้าหมายของพวกเขาคือ นิยามใหม่ของ “1 กิโลกรัม” โดยไม่พึ่งวัตถุจริงที่เสื่อมสภาพได้ แต่ใช้ “ค่าคงที่ทางธรรมชาติ” ที่ไม่เปลี่ยนแปลงแทน

ทรงกลมนี้มีความเบี่ยงเบนจากความกลม เพียง 50 นาโนเมตร
หากคุณขยายลูกกลมนี้ให้มีขนาดเท่าโลก 🌍 ผิวของมันจะเรียบจนมี “ภูเขา” สูงแค่ 2-3 เมตรเท่านั้น!
และความสมบูรณ์แบบระดับนั้นทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถ นับจำนวนอะตอมภายในได้อย่างแม่นยำ เพื่อคำนวณค่าคงที่อาโวกาโดร (Avogadro constant)

ในปี 2019 โลกจึงได้ นิยามกิโลกรัมใหม่ โดยใช้ค่าคงที่พลังค์ (Planck constant) แทนแท่งโลหะต้นแบบที่ใช้มานานกว่า 100 ปี
จากนี้ไป… น้ำหนักของสรรพสิ่งจะไม่ขึ้นกับวัตถุใดๆ อีกต่อไป

🧤 ลูกกลมนี้ต้องถูกเก็บอย่างระมัดระวังในห้องปลอดฝุ่นสุดล้ำ
เพราะแค่ฝุ่นผงหนึ่งเม็ด… ก็เพียงพอที่จะบอกได้ว่าลูกกลมกำลัง “หมุนอยู่หรือไม่”

ในโลกที่ทุกอย่างอาจคลาดเคลื่อนได้
ยังมีบางสิ่งที่พยายามจะ “สมบูรณ์แบบที่สุด”
เพื่อให้เราวัดโลกได้แม่นยำยิ่งขึ้น

#หวังดีเสมอ 💡
#โลกวิทยาศาสตร์
#นิยามใหม่ของกิโลกรัม
#AvogadroProject
#PlanckConstant
#ลูกกลมที่สุดในโลก

สรุปสั้นๆ
[Spoil] คลิกเพื่อดูข้อความที่ซ่อนไว้ในอดีต “1 กิโลกรัม” ถูกนิยามจากวัตถุจริง คือแท่งโลหะทรงกระบอกที่ทำจากแพลตินัม อิริเดียม เรียกว่า Le Grand K ซึ่งเก็บไว้ที่ฝรั่งเศสตั้งแต่ปี ค.ศ. 1889 ค่ะ

แต่ปัญหาคือ…
วัตถุจริงสามารถเปลี่ยนแปลงได้ สึกกร่อน มีฝุ่นเกาะ หรือแม้แต่สูญเสียน้ำหนักเพียงระดับนาโนกรัม ก็ทำให้หน่วยวัดของโลก “คลาดเคลื่อน”ได้

และเพราะกิโลกรัมเดิมนั้นขึ้นกับวัตถุเพียงชิ้นเดียวในโลก ถ้าแท่งนั้นหนักแค่ไหน ก็ถือว่านั่นคือ 1 กิโลกรัมเลยค่ะ

ปัจจุบันใช้ “ค่าคงที่ของธรรมชาติ” = Planck constant
และทรงกลมซิลิคอน Si-28 ก็เป็นเครื่องมือหนึ่งที่ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถ วัดกิโลกรัมแบบใหม่ได้แม่นยำและเปลี่ยนแปลงไม่ได้

เนื้อหาเสริม

[Spoil] คลิกเพื่อดูข้อความที่ซ่อนไว้ทรงกลมซิลิคอน-28 คือวัตถุทรงกลมที่สร้างขึ้นจากธาตุซิลิคอน (Silicon) ที่ผ่านการคัดแยกไอโซโทป (isotope) ให้มีความบริสุทธิ์สูงมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไอโซโทปซิลิคอน-28 (Silicon-28 หรือ $^{28}$Si) ที่มีจำนวนนิวตรอน 14 ตัว และมีสัดส่วนมากกว่า 99.995%
ความสำคัญของทรงกลมซิลิคอน-28
ทรงกลมซิลิคอน-28 นี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในทางวิทยาศาสตร์และมาตรวิทยา (metrology) โดยเฉพาะในโครงการที่เรียกว่า "โครงการอาโวกาโดร (Avogadro Project)" ซึ่งมีวัตถุประสงค์หลักเพื่อ:
* กำหนดค่าคงตัวอาโวกาโดร (Avogadro constant) ด้วยความแม่นยำสูงมาก: ค่าคงตัวอาโวกาโดร (N_A) เป็นจำนวนอะตอมหรือโมเลกุลในหนึ่งโมล (mole) การใช้ทรงกลมซิลิคอน-28 ที่บริสุทธิ์สูงและทราบมวลและปริมาตรได้อย่างแม่นยำ ทำให้สามารถนับจำนวนอะตอมซิลิคอนภายในทรงกลมได้เกือบจะสมบูรณ์ ซึ่งนำไปสู่การกำหนดค่า N_A ที่แม่นยำกว่าเดิม
* นิยามหน่วยกิโลกรัม (kilogram) ใหม่: เดิมทีกิโลกรัมถูกนิยามด้วยต้นแบบกิโลกรัมระหว่างประเทศ (International Prototype of the Kilogram - IPK) ซึ่งเป็นแท่งโลหะที่เก็บไว้ในฝรั่งเศส แต่มีปัญหาเรื่องความคงตัวของมวลเมื่อเวลาผ่านไป โครงการอาโวกาโดรได้ใช้ทรงกลมซิลิคอน-28 เพื่อให้นิยามกิโลกรัมใหม่โดยอิงจากค่าคงตัวพื้นฐานทางฟิสิกส์ เช่น ค่าคงตัวพลังค์ (Planck constant) ซึ่งมีความเสถียรมากกว่า การนับจำนวนอะตอมในทรงกลมซิลิคอน-28 ทำให้สามารถเชื่อมโยงมวลเข้ากับจำนวนอะตอมและค่าคงตัวทางฟิสิกส์อื่น ๆ ได้อย่างแม่นยำ
คุณสมบัติเด่น
* ความบริสุทธิ์ของไอโซโทปสูง: ทรงกลมนี้ถูกสร้างขึ้นจากซิลิคอน-28 ที่มีความบริสุทธิ์ของไอโซโทปสูงถึง 99.9995% เพื่อลดผลกระทบจากไอโซโทปอื่น ๆ ที่อาจทำให้การคำนวณมวลอะตอมคลาดเคลื่อน
* ความกลมและความเรียบผิวสูงสุด: เพื่อให้สามารถวัดปริมาตรของทรงกลมได้อย่างแม่นยำที่สุด ทรงกลมเหล่านี้จึงถูกขัดเงาให้มีความกลมและความเรียบของผิวในระดับที่เรียกว่าเป็น "วัตถุที่กลมที่สุดในโลก"
โดยสรุปแล้ว ทรงกลมซิลิคอน-28 เป็นชิ้นส่วนสำคัญในการปฏิวัติระบบหน่วยวัดสากล (International System of Units - SI) โดยเฉพาะการนิยามหน่วยมวลใหม่ให้มีความแม่นยำและเสถียรยิ่งขึ้นโดยอิงจากค่าคงตัวทางฟิสิกส์พื้นฐาน

บทบาทของทรงกลมซิลิคอน-28:
ทรงกลมซิลิคอน-28 มีบทบาทสำคัญในการ "เชื่อมโยง" มวลเข้ากับค่าคงตัวพลังค์และค่าคงตัวอาโวกาโดร ซึ่งเป็นการปูทางให้นิยามกิโลกรัมใหม่เป็นไปได้ นักวิทยาศาสตร์สามารถ:
* วัดจำนวนอะตอมในทรงกลมซิลิคอน-28 ได้อย่างแม่นยำที่สุด
* ทราบมวลของอะตอมซิลิคอน-28 แต่ละตัว ผ่านการคำนวณจากค่าคงตัวอาโวกาโดร และค่าคงตัวอื่น ๆ
* เชื่อมโยงมวลนี้กับค่าคงตัวพลังค์ ผ่านเครื่องมือที่เรียกว่า "ตาชั่งคิบเบิล (Kibble balance)" ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่สามารถวัดมวลได้อย่างแม่นยำโดยการเปรียบเทียบพลังงานไฟฟ้ากับพลังงานกล และค่าคงตัวพลังค์เป็นหัวใจสำคัญของการทำงานของตาชั่งคิบเบิลนี้
ประโยชน์ของการเปลี่ยนแปลงนี้:
* ความเสถียร: หน่วยกิโลกรัมจะไม่มีทางเปลี่ยนแปลงตามกาลเวลาหรือสภาพแวดล้อมอีกต่อไป เพราะอิงจากค่าคงตัวธรรมชาติ
* ความแม่นยำ: สามารถสร้างมาตรฐานกิโลกรัมได้ทุกที่ในโลก โดยการวัดค่าคงตัวพลังค์ผ่านการทดลองที่เหมาะสม แทนที่จะต้องอ้างอิงจากวัตถุต้นแบบชิ้นเดียว
* ความสามารถในการทำซ้ำ: นักวิทยาศาสตร์จากที่ใดก็ได้ในโลกสามารถสร้างอุปกรณ์ที่สามารถสอบเทียบหน่วยกิโลกรัมได้อย่างแม่นยำสูง โดยใช้หลักการทางฟิสิกส์เดียวกัน
ดังนั้น สรุปได้ว่า คุณเข้าใจถูกต้องแล้วครับว่า การเปลี่ยนแปลงนี้นำไปสู่การวัดมวลที่ "ไม่อิงที่น้ำหนักของตัววัดต้นแบบแค่ชิ้นเดียวอีก แต่วัดด้วยค่าทางฟิสิกส์ที่ไม่อิงตัววัตถุ" ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งสำคัญในวงการมาตรวิทยาโลก

ทำไมถึงยังต้องมีลูกกลมซิลิคอน-28?
ถึงแม้ว่ากิโลกรัมจะถูกนิยามใหม่ด้วย ค่าคงตัวพลังค์ (h) ซึ่งเป็นค่าคงที่ทางฟิสิกส์ที่ไม่ขึ้นกับวัตถุใด ๆ แต่ ลูกกลมซิลิคอน-28 ยังคงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ในกระบวนการนี้ครับ ไม่ได้หมายความว่ายังต้องอิงวัตถุในความหมายเดิม
ลูกกลมซิลิคอน-28 ไม่ใช่ "ต้นแบบ" ของกิโลกรัมอีกต่อไป แต่มันทำหน้าที่เป็น "วัตถุอ้างอิง" หรือ "เครื่องมือสอบเทียบ" ที่ช่วยให้เราสามารถเชื่อมโยงมวลเข้ากับค่าคงตัวพลังค์ได้อย่างแม่นยำที่สุดในทางปฏิบัติ
ลองนึกภาพแบบนี้ครับ:
* ค่าคงตัวพลังค์ (h) คือ "สูตร" หรือ "คำนิยาม" ใหม่ของกิโลกรัม
* ตาชั่งคิบเบิล (Kibble Balance) คือ "เครื่องมือ" ที่ใช้วัดมวลตามสูตรนี้
* ลูกกลมซิลิคอน-28 คือ "วัตถุทดสอบตัวอย่าง" ที่มีความบริสุทธิ์และคุณสมบัติทางกายภาพที่ทราบได้อย่างแม่นยำที่สุด ซึ่งจำเป็นอย่างยิ่งในการ "สอบเทียบ" หรือ "ตรวจสอบความถูกต้อง" ของตาชั่งคิบเบิล และช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกสามารถสร้างมาตรฐานกิโลกรัมที่สอดคล้องกันได้
บทบาทของลูกกลมซิลิคอน-28 ในทางปฏิบัติ
* การกำหนดค่าคงตัวอาโวกาโดรและมวลของอะตอม: ลูกกลมซิลิคอน-28 ที่บริสุทธิ์สูงมากช่วยให้เราสามารถนับจำนวนอะตอมในวัตถุมวลที่กำหนดได้อย่างแม่นยำที่สุด ซึ่งนำไปสู่การกำหนดค่าคงตัวอาโวกาโดร (N_A) ที่แม่นยำอย่างไม่เคยมีมาก่อน และการทราบมวลของอะตอมซิลิคอน-28 แต่ละตัวอย่างถูกต้อง
* การสอบเทียบและตรวจสอบตาชั่งคิบเบิล: ตาชั่งคิบเบิลเป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการกำหนดค่าคงตัวพลังค์โดยตรง และใช้ในการ "สร้าง" กิโลกรัมจากค่าคงตัวนี้ อย่างไรก็ตาม เพื่อให้มั่นใจว่าตาชั่งคิบเบิลแต่ละเครื่องทั่วโลกให้ค่าที่ถูกต้องและแม่นยำ นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องมีวัตถุที่มีมวลที่ทราบค่าได้อย่างแม่นยำสูงมากเพื่อใช้ในการสอบเทียบ และลูกกลมซิลิคอน-28 ที่มีความสมมาตร ความบริสุทธิ์ และความเสถียรสูง จึงเป็นตัวเลือกที่สมบูรณ์แบบ
* ลองนึกภาพว่าคุณกำลังสร้างเครื่องมือวัดระยะทางด้วยแสงเลเซอร์ แทนที่จะใช้ไม้บรรทัดเหล็ก การนิยามใหม่คือการใช้ความเร็วแสง แต่คุณก็ยังต้องการวัตถุที่มีความยาวมาตรฐานที่ทราบอย่างแม่นยำ (อาจเป็นแท่งแก้วที่มีการหักเหแสงที่ทราบค่า) เพื่อทดสอบและปรับจูนเครื่องมือเลเซอร์ของคุณให้แม่นยำที่สุด ลูกกลมซิลิคอน-28 ก็ทำหน้าที่คล้ายกันนี้สำหรับตาชั่งคิบเบิล
* การแพร่กระจายความถูกต้อง (Dissemination): แม้ว่าการนิยามจะอิงกับค่าคงตัวทางฟิสิกส์ แต่ในทางปฏิบัติ สถานีสอบเทียบมาตรฐานทั่วโลกยังคงต้องการวัตถุอ้างอิงที่มีมวลที่ทราบค่าได้อย่างน่าเชื่อถือสูง เพื่อใช้ในการสอบเทียบเครื่องชั่งทั่วไปในชีวิตประจำวัน ลูกกลมซิลิคอน-28 ซึ่งมีความเสถียรสูงกว่าวัตถุอื่นๆ จึงเป็นตัวเลือกที่ดีเยี่ยมสำหรับการรักษาระดับความถูกต้องของหน่วยมวล
ดังนั้น ลูกกลมซิลิคอน-28 จึงเป็น "มาตรฐานที่จับต้องได้" ที่ช่วยให้เราสามารถ "เข้าถึง" และ "นำไปใช้" นิยามใหม่ของกิโลกรัมที่อิงกับค่าคงตัวทางฟิสิกส์ได้อย่างแม่นยำและเป็นสากล ไม่ใช่การกลับไปอิงกับวัตถุแบบ "ต้นแบบ" อีกต่อไปครับ แต่เป็นการใช้เทคโนโลยีขั้นสูงเพื่อเป็นสะพานเชื่อมระหว่างโลกของอะตอมกับโลกที่เราสัมผัสได้