“als je een fan bent van de Netflix-serie “Stranger Things”, heb je de climatic season three-scène gezien, waarin Dustin zijn slimme langeafstandsvriendin Suzie over een radioverbinding probeert te verleiden om hem de precieze waarde te vertellen van iets dat Planck ‘ s constante heet, wat ook de code is om een kluis te openen die de sleutels bevat die nodig zijn om de poort te sluiten naar een kwaadaardig alternatief universum.
maar voordat Suzie het magische getal zal reciteren, vraagt ze een hoge prijs: Dustin moet de titelsong van de film “The NeverEnding Story” zingen.”
Dit kan allemaal geleid hebben tot de vraag: Wat is eigenlijk precies de constante van Planck?de constante-bedacht in 1900 door een Duitse natuurkundige genaamd Max Planck, die in 1918 de Nobelprijs zou winnen voor zijn werk — is een cruciaal onderdeel van de kwantummechanica, de tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met de kleine deeltjes waaruit materie bestaat en de krachten die betrokken zijn bij hun interacties. Van computerchips en zonnepanelen tot lasers, ” het is de natuurkunde die verklaart hoe alles werkt.”
Advertentie
De Onzichtbare Wereld van de Ultrasmall
Planck en andere natuurkundigen in de late jaren 1800 en begin 1900 waren proberen te begrijpen van het verschil tussen de klassieke mechanica — dat is, de beweging van lichamen in de waarneembare wereld om ons heen, beschreven door Sir Isaac Newton in de late jaren 1600 — en een onzichtbare wereld van de ultrasmall, waar energie gedraagt zich in bepaalde opzichten als een golf en in sommige opzichten als een deeltje, ook wel bekend als een foton.”in de kwantummechanica werkt de natuurkunde anders dan onze ervaringen in de macroscopische wereld,” legt Stephan Schlamminger, een natuurkundige voor het National Institute of Standards and Technology, per e-mail uit. Als verklaring citeert hij het voorbeeld van een bekende harmonische oscillator, een kind op een schommel.
“in de klassieke mechanica kan het kind op elke amplitude (hoogte) op het pad van de schommel zijn,” zegt Schlamminger. “De energie die het systeem heeft is evenredig met het kwadraat van de amplitude. Vandaar dat het kind kan schommelen op elk continu bereik van energieën van nul tot een bepaald punt.”
maar als je op het niveau van de kwantummechanica komt, gedragen dingen zich anders. “De hoeveelheid energie die een oscillator kan hebben is discreet, zoals sporten op een ladder”, zegt Schlamminger. “De energieniveaus worden gescheiden door h maal f, waarbij f de frequentie is van het foton — een lichtdeeltje — een elektron zou vrijkomen of absorberen om van het ene energieniveau naar het andere te gaan.”
in deze video uit 2016 legt een andere natuurkundige van NIST, Darine El Haddad, Planck ‘ s constante uit met behulp van de metafoor van suiker in koffie zetten. “In de klassieke mechanica is energie continu, wat betekent dat als ik mijn suikerdispenser neem, ik elke hoeveelheid suiker in mijn koffie kan gieten”, zegt ze. “Elke hoeveelheid energie is OK.”
” maar Max Planck vond iets heel anders toen hij dieper keek, legt ze uit in de video. “Energie is gekwantiseerd, of het is discreet, wat betekent dat ik slechts een suikerklontje of twee of drie kan toevoegen. Slechts een bepaalde hoeveelheid energie is toegestaan.”
Planck ‘ s constante definieert de hoeveelheid energie die een foton kan dragen, afhankelijk van de frequentie van de golf waarin het zich verplaatst.
elektromagnetische straling en elementaire deeltjes “vertonen intrinsiek zowel deeltjeseigenschappen als golfeigenschappen,” legt Fred Cooper, een externe professor aan het Santa Fe Institute, een onafhankelijk onderzoekscentrum in New Mexico, per e-mail uit. “De fundamentele constante die deze twee aspecten van deze entiteiten met elkaar verbindt is de constante van Planck. Elektromagnetische energie kan niet continu worden overgedragen, maar wordt overgedragen door discrete lichtfotonen waarvan de energie E wordt gegeven door E = hf, waarbij h de constante van Planck is en f de frequentie van het licht.”
advertentie
een licht veranderende constante
een van de verwarrende dingen voor nietwetenschappers over Planck ‘ s constante is dat de waarde die eraan wordt toegekend met kleine hoeveelheden in de tijd is veranderd. In 1985 was de geaccepteerde waarde h = 6,626176 x 10-34 Joule-seconden. De huidige berekening, gedaan in 2018, is h = 6,62607015 x 10-34 Joule-seconden.
“hoewel deze fundamentele constanten zijn gefixeerd in het weefsel van het universum, weten wij mensen niet precies wat hun exacte waarden zijn”, legt Schlamminger uit. “We moeten experimenten bouwen om deze fundamentele constanten zo goed mogelijk te meten. Onze kennis komt voort uit een aantal experimenten die gemiddeld een gemiddelde waarde voor de constante van Planck opleverden.”
om de constante van Planck te meten, hebben wetenschappers twee verschillende experimenten gebruikt — de Brobble balance en de X-ray crystal density (XRCD) methode. “Wanneer een nieuw nummer wordt gepubliceerd, geven de onderzoekers hun beste nummer en hun beste berekening van de onzekerheid in hun meting,” Schlamminger zegt. “De ware, maar onbekende waarde van de constante, moet hopelijk liggen in het interval van plus / minus de onzekerheid rond het gepubliceerde nummer, met een bepaalde statistische waarschijnlijkheid.”Op dit punt, “zijn we ervan overtuigd dat de echte waarde is niet ver weg. De Brokkenbalans en de XRCD methode zijn zo verschillend dat het een groot toeval zou zijn dat beide manieren het bij toeval zo goed eens zijn.”
die kleine onnauwkeurigheid in de berekeningen van wetenschappers is niet zo belangrijk in het schema van dingen. Maar als de constante van Planck een aanzienlijk groter of kleiner getal zou zijn, “zou de hele wereld om ons heen compleet anders zijn”, legt Martin Fraas, universitair docent wiskunde bij Virginia Tech, per e-mail uit. Als de waarde van de constante bijvoorbeeld werd verhoogd, zouden stabiele atomen vele malen groter kunnen zijn dan sterren.
De grootte van een kilogram, die van kracht werd op 20 Mei 2019, zoals overeengekomen door het Internationaal Bureau voor maten en gewichten (waarvan het Franse acroniem BIPM is), is nu gebaseerd op de constante van Planck.
advertentie