„Wenn Sie ein Fan der Netflix-Serie „Stranger Things“ sind, haben Sie die Climatic-Szene der dritten Staffel gesehen, in der Dustin versucht, seine kluge Fernfreundin Suzie über eine Amateurfunkverbindung zu überreden, ihm den genauen Wert von etwas namens Plancks Konstante mitzuteilen, das zufällig auch der Code zum Öffnen eines Safes ist, der die Schlüssel enthält, die benötigt werden, um das Tor zu einem böswilligen alternativen Universum zu schließen.
Aber bevor Suzie die magische Zahl rezitiert, verlangt sie einen hohen Preis: Dustin muss den Titelsong zum Film „The NeverEnding Story.“
Das alles hat Sie vielleicht dazu gebracht, sich zu fragen: Was genau ist Plancks Konstante überhaupt?Die Konstante – 1900 von einem deutschen Physiker namens Max Planck entwickelt, der 1918 den Nobelpreis für seine Arbeit erhielt — ist ein entscheidender Teil der Quantenmechanik, dem Zweig der Physik, der sich mit den winzigen Teilchen befasst Materie und die Kräfte, die an ihren Wechselwirkungen beteiligt sind. Von Computerchips über Sonnenkollektoren bis hin zu Lasern: „Es ist die Physik, die erklärt, wie alles funktioniert.“
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Die unsichtbare Welt der Ultrakleinen
Planck und andere Physiker in den späten 1800er und frühen 1900er Jahren versuchten, den Unterschied zwischen der klassischen Mechanik — das heißt, der Bewegung von Körpern in der beobachtbaren Welt um uns herum, beschrieben von Sir Isaac Newton in den späten 1600er Jahren — und einer unsichtbaren Welt der Ultrakleinen, in der sich Energie in gewisser Weise wie eine Welle in gewisser Weise wie ein Teilchen, auch als Photon bekannt.“In der Quantenmechanik funktioniert die Physik anders als unsere Erfahrungen in der makroskopischen Welt“, erklärt Stephan Schlamminger, Physiker am National Institute of Standards and Technology, per E-Mail. Als Erklärung nennt er das Beispiel eines bekannten harmonischen Oszillators, eines Kindes auf einer Schaukel.
„In der klassischen Mechanik kann sich das Kind in jeder Amplitude (Höhe) auf dem Weg der Schaukel befinden“, sagt Schlamminger. „Die Energie, die das System hat, ist proportional zum Quadrat der Amplitude. Daher kann das Kind in jedem kontinuierlichen Energiebereich von Null bis zu einem bestimmten Punkt schwingen.“
Aber wenn man auf die Ebene der Quantenmechanik kommt, verhalten sich die Dinge anders. „Die Energiemenge, die ein Oszillator haben könnte, ist diskret, wie Sprossen auf einer Leiter“, sagt Schlamminger. „Die Energieniveaus sind durch h mal f getrennt, wobei f die Frequenz des Photons — eines Lichtteilchens — ist, das ein Elektron freisetzen oder absorbieren würde, um von einem Energieniveau zum anderen zu gelangen.“In diesem Video von 2016 erklärt eine andere NIST-Physikerin, Darine El Haddad, Plancks Konstante mit der Metapher, Zucker in Kaffee zu geben. „In der klassischen Mechanik ist Energie kontinuierlich, das heißt, wenn ich meinen Zuckerspender nehme, kann ich jede Menge Zucker in meinen Kaffee gießen“, sagt sie. „Jede Menge Energie ist in Ordnung.“
„Aber Max Planck fand etwas ganz anderes, als er tiefer schaute, erklärt sie im Video. „Energie ist quantisiert oder diskret, was bedeutet, dass ich nur einen oder zwei oder drei Zuckerwürfel hinzufügen kann. Nur eine bestimmte Menge an Energie ist erlaubt.“Die Plancksche Konstante definiert die Energiemenge, die ein Photon tragen kann, entsprechend der Frequenz der Welle, in der es sich bewegt.Elektromagnetische Strahlung und Elementarteilchen „zeigen intrinsisch sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften“, erklärt Fred Cooper, ein externer Professor am Santa Fe Institute, einem unabhängigen Forschungszentrum in New Mexico, per E-Mail. „Die fundamentale Konstante, die diese beiden Aspekte dieser Entitäten verbindet, ist die Plancksche Konstante. Elektromagnetische Energie kann nicht kontinuierlich übertragen werden, sondern wird durch diskrete Photonen des Lichts übertragen, deren Energie E durch E = hf gegeben ist, wobei h die Plancksche Konstante und f die Frequenz des Lichts ist.“
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Eine sich leicht ändernde Konstante
Eines der verwirrenden Dinge für Nichtwissenschaftler über Plancks Konstante ist, dass sich der ihr zugewiesene Wert im Laufe der Zeit um winzige Beträge geändert hat. Im Jahr 1985 betrug der akzeptierte Wert h = 6,626176 x 10-34 Joule-Sekunden. Die aktuelle Berechnung aus dem Jahr 2018 lautet h = 6,62607015 x 10-34 Joule-Sekunden.
„Während diese fundamentalen Konstanten im Gewebe des Universums fixiert sind, kennen wir Menschen ihre genauen Werte nicht“, erklärt Schlamminger. „Wir müssen Experimente bauen, um diese fundamentalen Konstanten nach besten Kräften der Menschheit zu messen. Unser Wissen stammt aus einigen Experimenten, die gemittelt wurden, um einen Mittelwert für die Planck-Konstante zu erhalten.“Um die Plancksche Konstante zu messen, haben Wissenschaftler zwei verschiedene Experimente verwendet – die Kroketten-Balance und die Röntgenkristalldichte (XRCD) -Methode, und im Laufe der Zeit haben sie ein besseres Verständnis dafür entwickelt, wie man eine genauere Zahl erhält. „Wenn eine neue Zahl veröffentlicht wird, geben die Experimentatoren ihre beste Zahl sowie ihre beste Berechnung der Unsicherheit in ihrer Messung vor“, sagt Schlamminger. „Der wahre, aber unbekannte Wert der Konstante sollte hoffentlich mit einer gewissen statistischen Wahrscheinlichkeit im Intervall von plus / minus der Unsicherheit um die veröffentlichte Zahl liegen.“ An diesem Punkt“sind wir zuversichtlich, dass der wahre Wert nicht mehr weit entfernt ist. Die Kroketten-Balance und die XRCD-Methode sind so unterschiedlich, dass es ein großer Zufall wäre, dass beide Wege zufällig so gut übereinstimmen.“
Diese winzige Ungenauigkeit in den Berechnungen der Wissenschaftler ist im Schema der Dinge keine große Sache. Aber wenn Plancks Konstante eine signifikant größere oder kleinere Zahl wäre, „wäre die ganze Welt um uns herum völlig anders“, erklärt Martin Fraas, Assistenzprofessor für Mathematik an der Virginia Tech, per E-Mail. Wenn der Wert der Konstante beispielsweise erhöht würde, könnten stabile Atome um ein Vielfaches größer sein als Sterne.
Die Größe eines Kilogramms, die am 20.Mai 2019 in Kraft getreten ist, wie vom Internationalen Büro für Maß und Gewicht (BIPM) vereinbart, basiert nun auf der Planck-Konstante.
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