”Jos olet Netflixin ”Stranger Things”-sarjan fani, olet nähnyt ilmastokauden kolmannen jakson, jossa Dustin yrittää suostutella älykkään pitkän matkan tyttöystävänsä Suzien radioamatöörin avulla kertomaan hänelle Planckin vakion tarkan arvon, joka sattuu myös olemaan koodi, jolla avataan kassakaappi, joka sisältää avaimet, joita tarvitaan portin sulkemiseen pahantahtoiseen vaihtoehtoiseen universumiin.
mutta ennen kuin Suzie lausuu taikaluvun, hän vaatii korkean hinnan: Dustin joutuu laulamaan elokuvan tunnuskappaleen ” The NeverEnding Story.”
Tämä kaikki on saattanut saada miettimään: mikä oikeastaan on Planckin vakio?
vakio, jonka saksalainen fyysikko Max Planck laati vuonna 1900 ja joka saisi työstään Nobelin palkinnon vuonna 1918, on keskeinen osa kvanttimekaniikkaa, fysiikan haaraa, joka käsittelee aineen muodostavia pieniä hiukkasia ja niiden vuorovaikutukseen liittyviä voimia. Tietokonesiruista ja aurinkopaneeleista lasereihin: ”fysiikka selittää, miten kaikki toimii.”
Mainos
Ultrasmallin näkymätön maailma
Planck ja muut 1800 — luvun lopun ja 1900 — luvun alun fyysikot yrittivät ymmärtää eroa klassisen mekaniikan-eli Sir Isaac Newtonin 1600-luvun lopulla kuvaaman meitä ympäröivän havaittavan maailman-ja ultramallin näkymättömän maailman välillä, jossa energia käyttäytyy jollain tavalla kuten aalto ja jollain tavalla kuten hiukkanen, joka tunnetaan myös fotonina.
”kvanttimekaniikassa fysiikka toimii eri tavalla kuin kokemuksemme makroskooppisessa maailmassa”, selittää Yhdysvaltain standardointi-ja teknologiainstituutin fyysikko Stephan Schlamminger sähköpostitse. Selitykseksi hän mainitsee esimerkin tutusta harmonisesta oskillaattorista, keinulaudalla liikkuvasta lapsesta.
”klassisessa mekaniikassa lapsi voi olla millä tahansa amplitudilla (korkeudella) keinun tiellä”, Schlamminger sanoo. ”Systeemin energia on verrannollinen amplitudin neliöön. Näin ollen lapsi voi heilua millä tahansa jatkuvalla energiavälillä nollasta tiettyyn pisteeseen asti.”
mutta kun mennään kvanttimekaniikan tasolle, asiat käyttäytyvät eri tavalla. ”Oskillaattorin energiamäärä voi olla diskreetti, kuten tikapuilla olevat puolat”, Schlamminger sanoo. ”Energiatasot erotetaan h kertaa f, jossa f on fotonin — valohiukkasen-taajuus, jonka elektroni vapauttaisi tai absorboituisi siirtyäkseen energiatasolta toiselle.”
tässä vuoden 2016 videossa toinen NIST-fyysikko, Darine El Haddad, selittää Planckin jatkuvan käyttämällä metaforaa sokerin laittamisesta kahviin. ”Klassisessa mekaniikassa energia on jatkuvaa, eli jos otan sokeri-annostelijani, voin kaataa kahviini minkä määrän sokeria tahansa”, hän sanoo. ”Mikä tahansa määrä energiaa on OK.”
” mutta Max Planck löysi jotain hyvin erilaista, kun hän katsoi syvemmälle, hän selittää videolla. ”Energia on kvantisoitu, tai se on diskreetti, eli voin lisätä vain yhden sokeripalan tai kaksi tai kolme. Vain tietty määrä energiaa sallitaan.”
Planckin vakio määrittelee sen energiamäärän, jonka fotoni voi kuljettaa sen aallon taajuuden mukaan, jolla se kulkee.
sähkömagneettisella säteilyllä ja alkeishiukkasilla ”on luonnostaan sekä hiukkasten että aaltojen ominaisuuksia”, selittää Fred Cooper, ulkopuolinen professori Santa Fe-instituutissa, riippumattomassa tutkimuskeskuksessa New Mexicossa, sähköpostitse. ”Perusvakio, joka yhdistää nämä kaksi näiden entiteettien aspektia, on Planckin vakio. Sähkömagneettista energiaa ei voi siirtää jatkuvasti, vaan se siirtyy diskreeteillä valon fotoneilla, joiden energia e saadaan e = hf, missä h on Planckin vakio ja f on valon taajuus.”
Mainos
hieman muuttuva vakio
yksi sekavaa nonscientisteille Planckin vakiosta on se, että sille annettu arvo on muuttunut ajan saatossa pikkuruisia määriä. Vuonna 1985 hyväksytty arvo oli h = 6,626176 x 10-34 Joule-sekuntia. Nykyinen, vuonna 2018 tehty laskelma on h = 6,62607015 x 10-34 Joule-sekuntia.
”vaikka nämä perusvakiot ovat kiinteitä maailmankaikkeuden rakenteessa, me ihmiset emme tiedä niiden tarkkoja arvoja”, Schlamminger selittää. ”Meidän on rakennettava kokeita mitataksemme nämä perusvakiot ihmiskunnan parhaan kyvyn mukaan. Tietomme on peräisin muutamista kokeista, jotka laskettiin keskiarvon tuottamiseksi Planckin vakiolle.”
mitatakseen Planckin vakion tutkijat ovat käyttäneet kahta eri koetta — Kibble balance ja X-ray crystal density (XRCD) – menetelmää, ja ajan myötä he ovat kehittäneet paremman käsityksen siitä, miten saada tarkempi luku. ”Kun uusi luku julkaistaan, kokeilijat esittävät parhaan lukunsa sekä parhaan laskelmansa mittausepävarmuudesta”, Schlamminger sanoo. ”Totta, mutta tuntematon arvo vakion, pitäisi toivottavasti sijaita väli plus / miinus epävarmuus ympärillä julkaistu numero, tietty tilastollinen todennäköisyys.”Tässä vaiheessa” luotamme siihen, että todellinen arvo ei ole kaukana. Kibblen tasapaino ja XRCD-menetelmä ovat niin erilaisia, että olisi suuri yhteensattuma, että molemmat tavat sopivat niin hyvin yhteen sattumalta.”
se pieni epätarkkuus tiedemiesten laskelmissa ei ole iso juttu asioiden järjestelmässä. Mutta jos Planckin vakio olisi huomattavasti suurempi tai pienempi luku, ”koko maailma ympärillämme olisi täysin erilainen”, selittää Virginia Techin matematiikan apulaisprofessori Martin Fraas sähköpostitse. Jos vakion arvoa nostettaisiin, esimerkiksi vakaat atomit saattaisivat olla moninkertaisesti tähtiä suurempia.
kilogramman koko, joka tuli voimaan 20.toukokuuta 2019 kansainvälisen paino-ja Mittatoimiston (jonka ranskankielinen lyhenne on BIPM) sopimana, perustuu nyt Planckin vakioon.
Mainos