«Si eres un fan de la serie de Netflix «Stranger Things», has visto la escena climática de la tercera temporada, en la que Dustin intenta persuadir a su inteligente novia de larga distancia Suzie a través de una conexión de radioaficionados para que le diga el valor preciso de algo llamado constante de Planck, que también resulta ser el código para abrir una caja fuerte que contiene las llaves necesarias para cerrar la puerta a un universo alternativo malévolo.
Pero antes de que Suzie recite el número mágico, exige un alto precio: Dustin tiene que cantar el tema de la película «The NeverEnding Story».»
Todo esto puede haberte llevado a preguntarte: ¿Cuál es exactamente la constante de Planck, de todos modos?
La constante, ideada en 1900 por un físico alemán llamado Max Planck, que ganaría el Premio Nobel de 1918 por su trabajo, es una parte crucial de la mecánica cuántica, la rama de la física que se ocupa de las partículas diminutas que componen la materia y las fuerzas involucradas en sus interacciones. Desde chips de computadora y paneles solares hasta láseres, «es la física la que explica cómo funciona todo.»
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El Mundo Invisible de los Ultrasmall
Planck y otros físicos a finales de 1800 y principios de 1900 estaban tratando de entender la diferencia entre la mecánica clásica, es decir, el movimiento de los cuerpos en el mundo observable que nos rodea, descrito por Sir Isaac Newton a finales de 1600, y un mundo invisible de los ultrasmall, en algunos aspectos como una onda y en algunos aspectos como una partícula, también conocida como fotón.
«En mecánica cuántica, la física funciona de forma diferente a nuestras experiencias en el mundo macroscópico», explica Stephan Schlamminger, físico del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, por correo electrónico. Como explicación, cita el ejemplo de un oscilador armónico familiar, un niño en un columpio.
«En mecánica clásica, el niño puede estar a cualquier amplitud (altura) en el camino del columpio», dice Schlamminger. «La energía que tiene el sistema es proporcional al cuadrado de la amplitud. Por lo tanto, el niño puede oscilar en cualquier rango continuo de energías desde cero hasta un cierto punto.»
Pero cuando se llega al nivel de la mecánica cuántica, las cosas se comportan de manera diferente. «La cantidad de energía que podría tener un oscilador es discreta, como los peldaños de una escalera», dice Schlamminger. «Los niveles de energía están separados por h por f, donde f es la frecuencia del fotón, una partícula de luz, que un electrón liberaría o absorbería para pasar de un nivel de energía a otro.»
En este video de 2016, otra física del NIST, Darine El Haddad, explica la constante de Planck usando la metáfora de poner azúcar en el café. «En mecánica clásica, la energía es continua, lo que significa que si tomo mi dispensador de azúcar, puedo verter cualquier cantidad de azúcar en mi café», dice. «Cualquier cantidad de energía está bien.»
» Pero Max Planck encontró algo muy diferente cuando miró más profundo, explica en el video. «La energía está cuantizada, o es discreta, lo que significa que solo puedo agregar un terrón de azúcar, dos o tres. Solo se permite una cierta cantidad de energía.»
La constante de Planck define la cantidad de energía que un fotón puede transportar, de acuerdo con la frecuencia de la onda en la que viaja.
La radiación electromagnética y las partículas elementales «muestran propiedades intrínsecas de partículas y ondas», explica por correo electrónico Fred Cooper, profesor externo del Instituto Santa Fe, un centro de investigación independiente en Nuevo México. «La constante fundamental que conecta estos dos aspectos de estas entidades es la constante de Planck. La energía electromagnética no puede transferirse de forma continua, sino que es transferida por fotones discretos de luz cuya energía E viene dada por E = hf, donde h es la constante de Planck, y f es la frecuencia de la luz.»
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Una constante ligeramente Cambiante
Una de las cosas confusas para los no científicos sobre la constante de Planck es que el valor asignado a ella ha cambiado en pequeñas cantidades a lo largo del tiempo. En 1985, el valor aceptado era h = 6,626176 x 10-34 Julios-segundos. El cálculo actual, realizado en 2018, es h = 6,62607015 x 10-34 Julios-segundos.
«Si bien estas constantes fundamentales están fijas en el tejido del universo, los humanos no conocemos sus valores exactos», explica Schlamminger. «Tenemos que construir experimentos para medir estas constantes fundamentales con la mejor capacidad de la humanidad. Nuestro conocimiento proviene de unos pocos experimentos que se promediaron para producir un valor medio para la constante de Planck.»
Para medir la constante de Planck, los científicos han utilizado dos experimentos diferentes: el equilibrio de Croquetas y el método de densidad de cristales de rayos X (XRCD), y con el tiempo, han desarrollado una mejor comprensión de cómo obtener un número más preciso. «Cuando se publica un nuevo número, los experimentadores presentan su mejor número, así como su mejor cálculo de la incertidumbre en su medición», dice Schlamminger. «El valor verdadero, pero desconocido de la constante, se espera que se encuentre en el intervalo de más / menos la incertidumbre alrededor del número publicado, con una cierta probabilidad estadística.»En este punto», estamos seguros de que el verdadero valor no está muy lejos. El equilibrio de croquetas y el método XRCD son tan diferentes que sería una gran coincidencia que ambas maneras coincidan tan bien por casualidad.»
la pequeña imprecisión en los científicos de los cálculos no es un gran negocio en el esquema de las cosas. Pero si la constante de Planck fuera un número significativamente mayor o menor, «todo el mundo que nos rodea sería completamente diferente», explica Martin Fraas, profesor asistente de matemáticas en Virginia Tech, por correo electrónico. Si se aumentara el valor de la constante, por ejemplo, los átomos estables podrían ser muchas veces más grandes que las estrellas.
El tamaño de un kilogramo, que entró en vigor el 20 de mayo de 2019, según lo acordado por la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (cuyo acrónimo en francés es BIPM), ahora se basa en la constante de Planck.
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