„„

stała Plancka została opracowana w 1900 przez niemieckiego fizyka Dr. Maxa Plancka, który za swoją pracę otrzymał w 1918 Nagrodę Nobla. Stała jest kluczową częścią mechaniki kwantowej, gałęzi fizyki zajmującej się drobnymi cząstkami składającymi się na materię i siłami zaangażowanymi w ich interakcje. Biblioteka Kongresu

Jeśli jesteś fanem serialu Netflix „Stranger Things”, widziałeś klimatyczną scenę trzeciego sezonu, w której Dustin próbuje nakłonić swoją mądrą dziewczynę na odległość Suzie przez połączenie radiowe, aby powiedziała mu dokładną wartość czegoś, co nazywa się stałą Plancka, która jest również kodem do otwarcia sejfu zawierającego klucze potrzebne do zamknięcia wrót do złowrogiego alternatywnego wszechświata.

ale zanim Suzie wyrecytuje magiczną liczbę, wymaga wysokiej ceny: Dustin musi zaśpiewać piosenkę przewodnią do filmu ” The NeverEnding Story.”

to wszystko może skłonić cię do zastanowienia się: czym właściwie jest stała Plancka?

stała — opracowana w 1900 roku przez niemieckiego fizyka Maxa Plancka, który za swoją pracę otrzymał Nagrodę Nobla w 1918 roku — jest kluczową częścią mechaniki kwantowej, gałęzi fizyki, która zajmuje się drobnymi cząstkami składającymi się na materię i siłami zaangażowanymi w ich interakcje. Od chipów komputerowych i paneli słonecznych po lasery „to fizyka wyjaśnia, jak wszystko działa.”

niewidzialny świat Ultrasmall

Planck i inni fizycy pod koniec XIX wieku i na początku XX wieku próbowali zrozumieć różnicę między mechaniką klasyczną — to jest ruchem ciał w obserwowalnym świecie wokół nas, opisanym przez Sir Isaaca Newtona pod koniec XVI wieku — a niewidzialnym światem ultrasmall, w którym energia zachowuje się pod pewnymi względami jak fala i pod pewnymi względami jak cząstka, znana również jako foton.

„w mechanice kwantowej fizyka działa inaczej niż nasze doświadczenia w świecie makroskopowym”, wyjaśnia Stephan Schlamminger, fizyk z National Institute of Standards and Technology, za pośrednictwem poczty elektronicznej. Jako wyjaśnienie przytacza przykład znanego oscylatora harmonicznego, dziecka na huśtawce.

„w mechanice klasycznej dziecko może znajdować się na dowolnej amplitudzie (wysokości) na ścieżce huśtawki”, mówi Schlamminger. „Energia, którą posiada układ, jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy. W związku z tym dziecko może huśtać się w dowolnym ciągłym zakresie energii od zera do określonego punktu.”

ale kiedy zejdziesz do poziomu mechaniki kwantowej, rzeczy zachowują się inaczej. „Ilość energii, jaką może mieć oscylator, jest dyskretna, jak szczeble drabiny”, mówi Schlamminger. „Poziomy energii są oddzielone przez h razy f, gdzie f jest częstotliwością fotonu-cząstki światła-elektron uwolniłby lub wchłonął, aby przejść z jednego poziomu energii do drugiego.”

w tym filmie z 2016 roku inna fizyk z NIST, Darine El Haddad, wyjaśnia stałą Plancka za pomocą metafory dodawania cukru do kawy. „W mechanice klasycznej energia jest ciągła, co oznacza, że jeśli wezmę dozownik cukru, mogę wlać dowolną ilość cukru do mojej kawy”, mówi. „Każda ilość energii jest OK.”

” ale Max Planck znalazł coś zupełnie innego, gdy spojrzał głębiej, wyjaśnia w filmie. „Energia jest skwantowana, albo jest dyskretna, co oznacza, że mogę dodać tylko jedną kostkę cukru, dwie lub trzy. Dozwolona jest tylko pewna ilość energii.”

stała Plancka określa ilość energii, którą Foton może przenosić, zgodnie z częstotliwością fali, w której podróżuje.

promieniowanie elektromagnetyczne i cząstki elementarne „wykazują właściwości zarówno cząstkowe, jak i falowe”, wyjaśnia Fred Cooper, zewnętrzny profesor w Santa Fe Institute, niezależnym ośrodku badawczym w Nowym Meksyku, pocztą elektroniczną. „Podstawową stałą, która łączy te dwa aspekty tych Bytów, jest stała Plancka. Energia elektromagnetyczna nie może być przenoszona w sposób ciągły, ale jest przenoszona przez dyskretne fotony światła, których energia e jest dana przez E = hf, gdzie h jest stałą Plancka, a f jest częstotliwością światła.”

lekko zmieniająca się stała

jedną z mylących rzeczy dla niewierzących na temat stałej Plancka jest to, że przypisana do niej wartość zmieniała się o niewielkie ilości w czasie. W 1985 r. przyjęto wartość H = 6,626176 x 10-34 dżuli-sekund. Obecne obliczenia, wykonane w 2018 r., wynoszą h = 6,62607015 x 10-34 dżuli-sekund.

„chociaż te podstawowe stałe są stałe w strukturze wszechświata, my, ludzie, nie znamy ich dokładnych wartości”, wyjaśnia Schlamminger. „Musimy budować eksperymenty, aby zmierzyć te podstawowe stałe, najlepiej jak potrafi ludzkość. Nasza wiedza pochodzi z kilku eksperymentów, które uśredniono, aby wytworzyć średnią wartość stałej Plancka.”

aby zmierzyć stałą Plancka, naukowcy użyli dwóch różnych eksperymentów — równowagi Kibble ’ a i metody x-ray crystal density (XRCD), a z czasem rozwinęli lepsze zrozumienie, jak uzyskać dokładniejszą liczbę. „Kiedy nowa liczba jest publikowana, eksperymentatorzy przedstawili swoją najlepszą liczbę, a także najlepsze obliczenie niepewności w swoim pomiarze”, mówi Schlamminger. „Prawdziwa, ale nieznana wartość stałej, powinna, miejmy nadzieję, leżeć w przedziale plus / minus niepewności wokół opublikowanej liczby, z pewnym prawdopodobieństwem statystycznym.”W tym momencie” jesteśmy przekonani, że prawdziwa wartość nie jest daleko. Równowaga Kibble ’ a i metoda XRCD są tak różne, że to byłby poważny przypadek, że oba sposoby zgadzają się tak dobrze przez przypadek.”