รู้จักกับ ระบบ SI ระบบสมัยใหม่ สำหรับการวัดทางวิทยาศาสตร์

ระบบ SI ที่ถูกย่อมาจากคำว่า The International System of Units หมายถึง ระบบสมัยใหม่ที่ใช้สำหรับการวัดทางวิทยาศาสตร์ในเชิงเมตริก ซึ่งเป็นระบบหนึ่งที่มีความเป็นมาตรฐานสากล จึงถูกนำมาใช้งานทั่วโลกได้อย่างแพร่หลายในระยะเวลายาวนานตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน ซึ่งในปัจจุบันจะเห็นได้ว่าระบบ SI ได้กลายเป็นระบบหลักที่ถูกนำมาใช้งานสำหรับธุรกิจที่เกี่ยวข้องกับการค้าขายระหว่างประเทศทั่วทั้งโลก แต่อย่างไรก็ตาม ในประเทศสหรัฐอเมริกาถือได้ว่าเป็นประเทศหนึ่งที่ยังคงมีการใช้หน่วยอังกฤษดั้งเดิมอยู่ในปัจจุบัน เป็นหน่วยที่สามารถเรียกได้หลายชื่อ ได้แก่ English Unit, Customary Unit, Imperial Unit หรือ American Unit ตัวอย่างเช่น หน่วย ปอนด์ ฟาเรนไฮต์ ไมล์ หรือฟุต เป็นต้น โดยที่ระบบ SI สำหรับประเทศสหรัฐอเมริกา ได้มีการเติบโตและถูกใช้งานมากขึ้นเรื่อยๆในหน่วยงานภาคอุตสาหกรรมต่างๆ วงการการแพทย์ วิทยาศาสตร์ และรัฐบาล

หน่วยฐาน หมายถึง  หน่วยของปริมาณฐานที่ถูกกำหนดค่าปริมาณไว้ของการวัด ซึ่งตามงานวิจัยเชิงมาตรวิทยาที่มีความก้าวหน้ามากขึ้นเรื่อยๆในปัจจุบัน ส่งผลให้การทำให้เป็นจริงของหน่วยฐานเอสไอและนิยามของแต่ละหน่วยนั้นได้มีการพัฒนา ปรับปรุงและเปลี่ยนแปลงเรื่อยมา โดยมีความเป็นไปได้ที่จะสามารถพัฒนาความแม่นยำได้มากขึ้นในอนาคต

นิยามของหน่วยฐานเอสไอ (SI base unit definition)

1. ความยาว (Length)

ความยาวมีหน่วย SI เป็นเมตร meter (m) โดยที่ค่าความยาวมาตรฐานของเมตร มีค่าเท่ากับ 1 เมตร สามารถเทียบเท่าได้กับความยาวคลื่นแสงในสุญญากาศ ระหว่างช่วงเวลา 1 ต่อ 299 792 และ 458 วินาที

2. มวล (Mass)

มวลมีหน่วย SI เป็น kilogram (kg) เป็นหน่วยที่มีค่าเท่ากับมวลแบบประถมระหว่างประเทศของกิโลกรัม ซึ่งปัจจุบันถูกเก็บรักษาไว้ในสถาบัน BIPM ประเทศฝรั่งเศส มีลักษณะเป็นรูปทรงกระบอก ระยะเส้นผ่านศูนย์กลาง 39 มิลลิเมตรและระยะความสูง 39 มิลลิเมตร ถูกทำขึ้นจากส่วนผสมของโลหะ iridium และ platinum โดยมีค่าเท่ากับ 10% และ 90% ตามลำดับ

3. เวลา (Time)

เวลามีหน่วย SI เป็นวินาที second (s) โดยที่ระยะเวลา 1 วินาที สามารถเทียบเท่าได้กับคาบของคลื่นการแผ่รังสี 9192,631,770 เท่า จากการเปลี่ยนแปลงระดับชั้นพลังงานไฮเปอร์ไฟน์จากสถานะพื้น (ground state) ไปยังระดับพลังงานชั้นที่สองของอะตอมธาตุซีเซียม-133 (caesium-133)

4. กระแสไฟฟ้า (Electric Current)

กระแสไฟฟ้ามีหน่วย SI เป็นแอมแปร์ Ampere (A) ซึ่งกระแสไฟฟ้าขนาด 1แอมแปร์ เป็นกระแสไฟฟ้าคงที่ที่สามารถทำให้เกิดแรงขึ้นได้ระหว่างเส้นสวดตัวนำสองเส้น ที่มีลักษณะเป็นเส้นตรง มีพื้นที่หน้าตัดขนาดเล็กมากจนไม่ต้องคำนึงถึง และมีระยะความยาวเป็นอนันต์ โดยหากให้กระแสไฟฟ้าขนาด 1 แอมแปร์ ไหลผ่านเส้นลวดตัวนำทั้งสองเส้นที่วางขนานกัน และมีระยะห่าง 1 เมตรในสุญญากาศ จะทำให้เกิดแรงขนาด2X10-7 นิวตันต่อความยาวเมตรขึ้นระหว่างเส้นลวดตัวนำ

5. อุณหภูมิทางเทอร์โมไดนามิกส์ (Thermodynamic Temperature)

อุณหภูมิทางเทอร์โมไดนามิกส์มีหน่วย SI เป็นเคลวิน kelvin (K) โดยที่อุณหภูมิขนาด 1 Kelvin สามารถเทียบเท่าได้กับ 1 ต่อ 273.16 ของน้ำที่อุณหภูมิเทอร์โมไดนามิกส์ของจุดสามสถานะ (triple point)

6. ความเข้มการส่องสวาง (Luminous Intensity)

ความเข้มการส่องสวางมีหน่วย SI เป็นแคนเดลา candela (cd) ซึ่งความเข้มขนาด 1 Candela สามารถเทียบเท่าได้กับค่าความเข้มการส่องสว่างของแหล่งกำเนิดแสงที่ความถี่ 540×1012 เฮริทซ์ โดยที่แหล่งกำเนิดแสงจะต้องแผ่รังสีในทิศทางที่กำหนดและมีความถี่เดียว มีสีเดียว รวมทั้งมีค่าความเข้มการแผ่รังสีไปยังทิศทางนั้นๆเท่ากับ 1 ต่อ 683 วัตต์ต่อสตีเรเดียน (watt/steradian)

7. ปริมาณสาร

ปริมาณสารมีหน่วย  SI เป็นโมล (mol) โดยที่ปริมาณสารขนาด 1 โมล เป็นปริมาณหนึ่งในระบบที่มีองค์ประกอบย่อยมูลฐาน (elementary entities) เป็นองค์ประกอบ ได้แก่อะตอมของคาร์บอน-12 ที่มีค่าของมวลรวมทั้งหมด 0.012 กิโลกรัม ซึ่งการใช้หน่วยโมล มีหลักการใช้คือการระบุองค์ประกอบมูลฐานบ่งบอกไว้เสมอ ตัวอย่างเช่น ไอออน อิเล็กตรอน อะตอม อนุภาคใดๆ หรือกลุ่มของอนุภาคใดๆ เป็นต้น

สนธิสัญญาเมตริก

สนธิสัญญาเมตริก คือ สนธิสัญญาข้อตกลงระหว่างประเทศได้ที่ว่าด้วยมาตรการวัดปริมาณทางกายภาพ ได้มีการเริ่มต้นและลงนามเกิดขึ้นในปีค.ศ. 1875 โดยสนธิสัญญาดังกล่าวถือได้ว่าเป็นพื้นฐานสำคัญที่เกี่ยวข้องกับการค้าขายระหว่างประเทศโดยตรง เนื่องจากการค้าขายแลกเปลี่ยนสินค้าระหว่างประเทศจะสามารถดำเนินการไปได้อย่างราบรื่น หากประเทศต่างๆทั่วโลกมีการยอมรับและใช้ระบบหน่วยวัดเดียวกันเป็นมาตรฐานสากล มากกว่านั้นสนธิสัญญาเมตริกยังได้นำไปสู่การก่อตั้งห้องปฏิบัติการระหว่างชาติขึ้น โดยการร่วมมือกันของคณะกรรมการระหว่างชาติหลายคณะ และทำให้เกิดการพัฒนาเปลี่ยนแปลงกลไกที่เป็นผลให้เกิดความเชื่อมั่นในความเท่าเทียมกันของมาตรฐานการวัดทางภายภาพระหว่างประเทศอีกด้วย

สนธิสัญญาเมตริก ได้มีการจัดตั้งองค์กรสำหรับควบคุมการดำเนินงานต่างๆขึ้น ได้แก่ องค์กร International Committee for Weights and Measures (CIPM) และองค์กร General Conference on Weights and Measures (CGPM) รวมทั้งได้มีการร่วมงานกับคณะกรรมการที่ปรึกษา ที่มีหน้าที่ในการให้คำปรึกษาแก่องค์กร CIPM ทางด้านวิชาการในมาตรวิทยาสาขาต่างๆ ตัวอย่างเช่น คณะกรรมการที่ปรึกษาด้านอุณหภูมิ คณะกรรมการที่ปรึกษาด้านไฟฟ้า และคณะกรรมการสาขาอื่นๆ เป็นต้น ซึ่งสมาชิกของคณะกรรมการที่ปรึกษานั้น มีกระบวนการคัดเลือกจากความกระตือรือร้น และความสามารถในการวิจัยมาตรฐานการวัดในสาขาที่เกี่ยวข้องของประเทศสมาชิกจากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ ในขณะที่ประเทศสมาชิกอื่นๆที่ไม่ได้รับการคัดเลือกจากห้องปฏิบัติการมาตรฐานแห่งชาติก็สามารถแสดงความคิดเห็น และให้ข้อเสนอแนะแก่เหล่าคณะกรรมการที่ปรึกษาได้เช่นเดียวกัน โดยห้องปฏิบัติการระหว่างชาติของสนธิสัญญาเมตริกที่มีชื่อว่า International Bureau of Weights and Measures (BIPM) ได้จัดตั้งอยู่ที่เมือง Sevres ประเทศฝรั่งเศสในปัจจุบัน