กิโลกรัม

กิโลกรัม อักษรย่อ กก. () เป็นหน่วยฐานของมวลตามระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศ (ระบบเอสไอ) มีสัญลักษณ์หน่วยเป็น กก. ซึ่งเป็นหน่วยวัดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในทางวิทยาศาสตร์ วิศวกรรมศาสตร์ และการค้าทั่วโลก นิยมเรียกย่อ ๆ ว่า กิโลMerriam-Mebster definition of Kilo ซึ่งแปลว่า "หนึ่งพันกรัม"

กิโลกรัมเป็นหน่วยฐานเอสไอ ที่นิยามโดยอาศัยหน่วยฐานอีกสองหน่วย คือ วินาที เมตร และค่าคงที่พลังค์ ซึ่งเป็นค่าคงที่ที่ใช้ในการนิยามระบบเอสไอ ห้องปฏิบัติการมาตรวิทยา (metrology laboratory) ที่มีอุปกรณ์ครบครันสามารถสอบเทียบเครื่องมือวัดมวล เช่น  (Kibble balance) ให้เป็นมาตรฐานหลักสำหรับมวลกิโลกรัมได้

กิโลกรัม ถูกนิยามครั้งแรกในปี พ.ศ. 2338 ระหว่างการปฏิวัติฝรั่งเศส ว่ามีมวลเท่ากับน้ำหนึ่งลิตร นิยามปัจจุบันของกิโลกรัม ใกล้เคียงกับนิยามเดิมภายใน 30 ส่วนในล้านส่วน (30 parts per million)  ต่อมาในปี พ.ศ. 2342 แท่งแพลตินัมที่เรียกว่า "กิโลกรัมเดส์อาร์ไคฟ์" (Kilogramme des Archives) ถูกนำมาใช้เป็นมาตรฐานของมวลแทน ในปี พ.ศ. 2432 แท่งทรงกระบอกทำจากแพลทินัม-อิริเดียม ซึ่งเรียกว่า " (International Prototype of the Kilogram - IPK)" กลายเป็นมาตรฐานของหน่วยมวลสำหรับระบบเมตริก และยังคงอยู่เช่นนั้นเป็นเวลา 130 ปี ก่อนที่จะมีการนำมาตรฐานปัจจุบันมาใช้ในปี พ.ศ. 2562

 นิยาม 

กิโลกรัม ถูกนิยามโดยอาศัยค่าคงที่นิยาม 3 ประการ:
 ความถี่การเปลี่ยนสถานะของอะตอมเฉพาะค่าหนึ่ง () ซึ่งกำหนดความยาวของวินาที
 ความเร็วแสง () ซึ่งเมื่อรวมกับวินาทีแล้ว จะกำหนดยาวของเมตร
 ค่าคงตัวของพลังค์ () ซึ่งเมื่อรวมกับเมตรและวินาทีแล้ว จะกำหนดมวลของกิโลกรัม

ตาม ที่ประชุมใหญ่ว่าด้วยการชั่งตวงวัด ()

เมื่อกำหนดตามหน่วยเหล่านั้น กิโลกรัม จะถูกกำหนดเป็นSI Brochure: The International System of Units (SI). BIPM, 9th edition, 2019.:
kg =    =  ≈  .

โดยทั่วไปคำจำกัดความนี้สอดคล้องกับคำจำกัดความก่อนหน้านี้: มวลยังคงอยู่ภายใน 30 ส่วนในล้านส่วน ของมวลน้ำหนึ่งลิตรThe density of water is  at . See 

 เส้นเวลาของคำจำกัดความก่อนหน้า 
 พ.ศ. 2336: The  (หน่วยดั้งเดิมของกิโลกรัม) ซึ่งเป็นหน่วยก่อนหน้าของกิโลกรัม ถูกนิยามให้มีมวลเท่ากับน้ำ 1 ลิตร (ลูกบาศก์เดซิเมตร: dm3) ซึ่งคำนวณได้ประมาณ 18,841 . 
 พ.ศ. 2338: กรัม (1/1000 ของกิโลกรัม) ถูกนิยามอย่างเบื้องต้นให้มีมวลเท่ากับน้ำ 1 ลูกบาศก์เซนติเมตร ที่จุดหลอมละลายของน้ำแข็ง
 พ.ศ. 2342: ผลิต กิโลกรัมเดส์อาร์ไคฟ์ ขึ้นเป็นต้นแบบ มีมวลเท่ากับน้ำ 1 ลูกบาศก์เดซิเมตร (dm3) ที่อุณหภูมิความหนาแน่นสูงสุด ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 4 °C.
 พ.ศ. 2418-2432: มีการลงนามในอนุสัญญาเมตริก ในปี พ.ศ. 2418 นำไปสู่การผลิต  () ในปี พ.ศ. 2422 และรับรองใช้งานอย่างเป็นทางการในปี พ.ศ. 2432
 พ.ศ. 2562: กิโลกรัม ถูกนิยามใหม่โดยอาศัย ค่าคงตัวของพลังค์, ความเร็วแสง และ ความถี่การแยกละเอียดไฮเปอร์ไฟน์ของซีเซียม-133 (133Cs) ซึ่งได้รับการรับรองโดย ที่ประชุมใหญ่ว่าด้วยการชั่งตวงวัด () เมื่อวันที่ 16 พฤศจิกายน พ.ศ. 2561

กิโลกรัม เป็นหน่วยเอสไอหน่วยสุดท้ายที่นิยามโดยเทียบกับวัตถุที่มนุษย์สร้างขึ้น แทนที่จะเทียบกับความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติพื้นฐานทางฟิสิกส์เช่นหน่วยอื่น ๆ ก่อนที่จะถูกเปลี่ยนในปี พ.ศ. 2562

 คำจำกัดความใหม่ตามค่าคงที่พื้นฐาน 

เมื่อแรกเริ่มนั้น หนึ่งกิโลกรัม นิยามไว้เท่ากับมวลของน้ำบริสุทธิ์ ปริมาตรหนึ่งลิตร ที่อุณหภูมิ 4 องศาเซลเซียสและความดันบรรยากาศมาตรฐาน นิยามข้างต้นวัดให้แม่นยำได้ยาก เนื่องจากความหนาแน่นของน้ำขึ้นอยู่กับความดันบรรยากาศ และความดันนิยามโดยมีมวลเป็นองค์ประกอบ ทำให้เกิดการขึ้นแก่กันเป็นวงกลมในนิยามของกิโลกรัมข้างต้น

เพื่อแก้ปัญหาข้างต้น จึงได้มีการนิยามกิโลกรัมใหม่ให้เท่ากับมวลของมวลมาตรฐานอย่างเที่ยงตรง ซึ่งมวลมาตรฐานดังกล่าวสร้างขึ้นโดยให้มีมวลเทียบเท่ากับมวลในนิยามเดิม นับตั้งแต่ปี ค.ศ. 1889 เป็นต้นมา ระบบเอสไอนิยามให้มวลหนึ่งกิโลกรัมเท่ากับมวลของมวลต้นแบบระหว่างชาติของกิโลกรัม ซึ่งเป็นทรงกระบอกสร้างจากโลหะเจือแพลทินัม-อิริเดียม ความสูงและเส้นผ่านศูนย์กลาง 39 มิลลิเมตร เก็บรักษาไว้ที่สำนักงานระหว่างประเทศว่าด้วยมาตราชั่งตวงวัด (Bureau International des Poids et Mesures) ได้มีการสร้างสำเนาอย่างเป็นทางการของมวลต้นแบบระหว่างชาติฯ ขึ้นหลายชิ้นด้วยกันเพื่อใช้เป็นมวลต้นแบบแห่งชาติ ซึ่งจะนำมาเปรียบเทียบกับมวลต้นแบบระหว่างชาติฯ ("Le Grand Kilo" เลอกรองกีโล) ประมาณทุก 10 ปี มวลต้นแบบระหว่างชาติฯ นั้นสร้างขึ้นราวคริสต์ทศวรรษ 1880

หากถือตามนิยาม ความคลาดเคลื่อนระหว่างการเปรียบเทียบซ้ำแต่ละครั้งของนิยามปัจจุบันจะต้องเป็นศูนย์ ทว่าในการถือปฏิบัติโดยทั่วไป ถือว่าความคลาดเคลื่อนดังกล่าวอยู่ในอันดับ 2 ไมโครกรัม ความคลาดเคลื่อนนี้พบจากการเปรียบเทียบมวลต้นแบบระหว่างชาติฯ กับมวลต้นแบบแห่งชาติทุกชิ้น เนื่องจากมวลต้นแบบแห่งชาติสร้างจากวัสดุเดียวกันและเก็บไว้ในสภาวะเดียวกัน จึงไม่มีเหตุผลเพียงพอที่จะกล่าวได้ว่ามวลต้นแบบระหว่างชาติฯ มีความเสถียรของมวลมากหรือน้อยไปกว่ามวลสำเนาอย่างเป็นทางการชิ้นอื่น ๆ ด้วยเหตุนี้การประมาณการความเสถียรของมวลต้นแบบระหว่างชาติฯ จึงสามารถกระทำได้ กระบวนวิธีเปรียบเทียบดังกล่าวนี้จะกระทำประมาณทุก 40 ปี

การแทนที่ () เกิดจากหลักฐานที่สะสมมาเป็นเวลานาน ซึ่งชี้ว่า มวลของ  และสำเนาของมันมีการเปลี่ยนแปลง  โดย  มีความคลาดเคลื่อนจากสำเนาประมาณ 50 ไมโครกรัม นับตั้งแต่ผลิตขึ้นในช่วงปลายคริสต์ศตวรรษที่ 19 สิ่งนี้นำไปสู่ความพยายามแข่งขันหลายครั้งในการพัฒนาวิทยาการวัดที่มีความแม่นยำเพียงพอที่จะรองรับด้วยนิยามที่อิงตามค่าคงที่พื้นฐานทางฟิสิกส์โดยตรง

ปัจจุบันเราพบว่ามวลต้นแบบระหว่างชาติของกิโลกรัมสูญเสียมวลไปประมาณ 50 ไมโครกรัมตลอดระยะเวลา 100 ปีที่ผ่านมา ซึ่งสาเหตุนั้นยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด (จากรายงานในนิตยสาร แดร์-ชปีเกิล ปี 2003 ฉบับ 26) การที่มวลของมวลต้นแบบฯ เปลี่ยนแปรไปจนสังเกตได้นี้เป็นปัจจัยสำคัญที่ผลักดันให้มีการค้นหานิยามใหม่สำหรับกิโลกรัม เนื่องจากหากเราถือตามนิยามของกิโลกรัมในปัจจุบัน คำกล่าวที่ว่า "วัตถุใด ๆ ก็ตามในเอกภพ (เว้นแต่มวลต้นแบบระหว่างชาติของกิโลกรัม) ที่เมื่อ 100 ปีก่อนมีมวล 1 กิโลกรัม, และไม่มีการเปลี่ยนแปลงใด ๆ นับตั้งแต่นั้นเป็นมา, ปัจจุบันจะมีมวลมากกว่าหนึ่งกิโลกรัมอยู่ 50 ไมโครกรัม" จะต้องนับว่าถูกต้องแม่นยำ เราจะเห็นว่าคำกล่าวข้างต้นขัดแย้งกับสามัญสำนึก นอกจากนี้ยังทำให้สูญเสียความมุ่งหมายในการนิยามหน่วยมาตรฐานของมวลไป เนื่องจากมาตรฐานไม่ควรเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรก็ได้เมื่อเวลาผ่านไป ทำให้มีการประชุมกันของนักวิทยาศาสตร์เพื่อสร้างนิยามใหม่ของ กิโลกรัม โดยมีผลตั้งแต่วันที่ 20 พฤษภาคม ค.ศ. 2019 โดยนิยามใหม่ของกิโลกรัมคือ  กิโลกรัมหรือสัญลักษณ์ kg นิยามโดย ค่าคงตัวของพลังค์ เป็น  6.626070150 คูณ 10 ยกกำลัง -34 โดยมีหน่วยเป็น Js ซึ่งเท่ากับ kg m2 s-1 โดยเมตรและวินาทีนิยามในเทอมของความเร็วของแสงและนาฬิกา Caesium standard ตามลำดับเป็นการเปลี่ยนการนิยามจากวัตถุทางกายภาพเปลี่ยนเป็นนิยามอิงกับค่าคงที่ทางฟิสิกส์ Decision CIPM/105-13 (October 2016). The day is the 144th anniversary of the Metre Convention.

 หน่วยพหุคูณ 

เนื่องจากหน่วยเอสไอหน่วยหนึ่ง ไม่สามารถมีคำนำหน้าหลายตัว (ดูค คำอุปสรรคเอสไอ) จึงมีการนำคำนำหน้าไปประกอบกับกรัม แทนที่จะเป็นกิโลกรัม ซึ่งมีคำนำหน้าเป็นส่วนหนึ่งของชื่ออยู่แล้วBIPM: SI Brochure: Section 3.2, The kilogram  ตัวอย่างเช่น หนึ่งในล้านของกิโลกรัม คือ 1 มิลลิกรัม (mg) ไม่ใช่ 1 ไมโครกรัม (μkg)

 ดูเพิ่ม 











 โน้ต 

 อ้างอิง 

 แหล่งข้อมูลอื่น ๆ 

 NIST Improves Accuracy of 'Watt Balance' Method for Defining the Kilogram
 The UK's National Physical Laboratory (NPL): [https://web.archive.org/web/20160323212037/http://www.npl.co.uk/reference/faqs/are-any-problems-caused-by-having-the-kilogram-defined-in-terms-of-a-physical-artefact-(faq-mass-and-density) Are any problems caused by having the kilogram defined in terms of a physical artefact? (FAQ – Mass & Density)]
 NPL: NPL Kibble balance
 Metrology in France: Watt balance 
 Australian National Measurement Institute: Redefining the kilogram through the Avogadro constant
 International Bureau of Weights and Measures (BIPM): Home page
 NZZ Folio: What a kilogram really weighs
 NPL: [http://www.npl.co.uk/reference/faqs/what-are-the-differences-between-mass,-weight,-force-and-load-(faq-mass-and-density) What are the differences between mass, weight, force and load?]
 BBC: Getting the measure of a kilogram
 NPR: This Kilogram Has A Weight-Loss Problem, an interview with National Institute of Standards and Technology physicist Richard Steiner
 Avogadro and molar Planck constants for the redefinition of the kilogram
 Realization of the awaited definition of the kilogram


 วิดิโอ 
 The BIPM – YouTube channel
 "The role of the Planck constant in physics" – presentation at 26th CGPM meeting at Versailles, France, November 2018 when voting on superseding the IPK took place on YouTube

หมวดหมู่:หน่วยฐานเอสไอ
หมวดหมู่:หน่วยมวล
หมวดหมู่:หน่วยวัด
หมวดหมู่:หน่วยอนุพัทธ์เอสไอ