กิโลกรัม: หน่วยของมวล

กิโลกรัม ยังคงเป็นหน่วยเอสไอเพียงหน่วยเดียวที่นิยามโดยเทียบกับวัตถุที่มนุษย์สร้างขึ้น แทนที่จะเทียบกับความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติพื้นฐานทางฟิสิกส์เช่นหน่วยอื่น ๆ

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

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 m^2 s^-1 โดยเมตรและวินาทีนิยามในเทอมของความเร็วของแสงและนาฬิกา Caesium standard ตามลำดับเป็นการเปลี่ยนการนิยามจากวัตถุทางกายภาพเปลี่ยนเป็นนิยามอิงกับค่าคงที่ทางฟิสิกส์