”Om du är ett fan av Netflix-serien ”Stranger Things”, har du sett den klimatiska säsongen tre scenen, där Dustin försöker cajole sin brainy långväga flickvän Suzie över en skinkradio anslutning till att berätta för honom det exakta värdet av något som kallas Plancks konstant, vilket också råkar vara koden för att öppna ett kassaskåp som innehåller nycklarna som behövs för att stänga porten till ett illvilligt alternativt universum.
men innan Suzie kommer att recitera det magiska numret, kräver hon ett högt Pris: Dustin måste sjunga temasången till filmen ”The NeverEnding Story.”
det här kan alla ha lett dig att undra: vad är Plancks konstant egentligen?konstanten-som utarbetades 1900 av en tysk fysiker vid namn Max Planck, som skulle vinna Nobelpriset 1918 för sitt arbete — är en viktig del av kvantmekaniken, den gren av fysiken som behandlar de små partiklarna som utgör Materia och de krafter som är involverade i deras interaktioner. Från datachips och solpaneler till lasrar, ”det är fysiken som förklarar hur allt fungerar.”
annons
den osynliga världen av Ultrasmall
Planck och andra fysiker i slutet av 1800 — talet och början av 1900 — talet försökte förstå skillnaden mellan klassisk mekanik-det vill säga kroppens rörelse i den observerbara världen omkring oss, beskriven av Sir Isaac Newton i slutet av 1600-talet-och en osynlig värld av ultrasmall, där energi beter sig i vissa fall, och i vissa fall är det en sätt som en våg och på vissa sätt som en partikel, även känd som en foton.
”i kvantmekanik fungerar fysik annorlunda än våra erfarenheter i den makroskopiska världen”, förklarar Stephan Schlamminger, en fysiker för National Institute of Standards and Technology, via e-post. Som en förklaring citerar han exemplet på en välbekant harmonisk oscillator, ett barn på en gungsats.
” i klassisk mekanik kan barnet vara i vilken amplitud som helst (höjd) på Gungans väg”, säger Schlamminger. ”Den energi som systemet har är proportionell mot amplitudens kvadrat. Därför kan barnet svänga vid något kontinuerligt energiområde från noll upp till en viss punkt.”
men när du kommer ner till kvantmekanikens nivå beter sig saker annorlunda. ”Mängden energi som en oscillator kan ha är diskret, som steg på en stege”, säger Schlamminger. ”Energinivåerna separeras av h gånger f, där f är fotonens frekvens — en partikel av ljus-en elektron skulle frigöra eller absorbera för att gå från en energinivå till en annan.”
i denna 2016-video förklarar en annan NISTFYSIKER, Darine El Haddad, Plancks konstant med metaforen att sätta socker i kaffe. ”I klassisk mekanik är energi kontinuerlig, vilket betyder att om jag tar min sockerdispenser kan jag hälla någon mängd socker i mitt kaffe”, säger hon. ”All energi är OK.”
” men Max Planck hittade något väldigt annorlunda när han såg djupare, förklarar hon i videon. ”Energi kvantiseras, eller det är diskret, vilket betyder att jag bara kan lägga till en sockerkub eller två eller tre. Endast en viss mängd energi är tillåten.”Plancks konstant definierar mängden energi som en foton kan bära, beroende på frekvensen för den våg i vilken den färdas.
elektromagnetisk strålning och elementära partiklar ”visar i sig både partikel-och vågegenskaper”, förklarar Fred Cooper, en extern professor vid Santa Fe Institute, ett oberoende forskningscenter i New Mexico, via e-post. ”Den grundläggande konstanten som förbinder dessa två aspekter av dessa enheter är Plancks konstant. Elektromagnetisk energi kan inte överföras kontinuerligt utan överförs av diskreta ljusfotoner vars energi E ges av E = hf, där h är Plancks konstant och f är ljusets frekvens.”
annons
en något föränderlig konstant
en av de förvirrande sakerna för nonscientists om Plancks konstant är att värdet tilldelat det har förändrats med små mängder över tiden. Tillbaka 1985 var det accepterade värdet h = 6,626176 x 10-34 joule-sekunder. Den nuvarande beräkningen, som gjordes 2018, är h = 6.62607015 x 10-34 joule-sekunder.
” medan dessa grundläggande konstanter är fixerade i universums Tyg, vet vi människor inte deras exakta värden”, förklarar Schlamminger. ”Vi måste bygga experiment för att mäta dessa grundläggande konstanter efter mänsklighetens bästa förmåga. Vår kunskap kommer från några få experiment som i genomsnitt gav ett medelvärde för Planck-konstanten.”
för att mäta Plancks konstant har forskare använt två olika experiment — Kibble balance och Xrcd-metoden (Xrcd), och med tiden har de utvecklat en bättre förståelse för hur man får ett mer exakt nummer. ”När ett nytt nummer publiceras lägger experimenterna fram sitt bästa nummer samt deras bästa beräkning av osäkerheten i deras mätning”, säger Schlamminger. ”Det sanna, men okända värdet av konstanten, borde förhoppningsvis ligga i intervallet plus / minus osäkerheten kring det publicerade numret, med en viss statistisk sannolikhet.”Vid denna tidpunkt ”är vi övertygade om att det sanna värdet inte är långt borta. Kibble-balansen och xrcd-metoden är så olika att det skulle vara en stor slump att båda sätten är överens så bra av en slump.”
den lilla inprecisionen i forskarnas beräkningar är inte en stor sak i tingens ordning. Men om Plancks konstant var ett betydligt större eller mindre antal, skulle ”hela världen omkring oss vara helt annorlunda”, förklarar Martin Fraas, biträdande professor i matematik vid Virginia Tech, via e-post. Om värdet på konstanten ökades, till exempel, stabila atomer kan vara många gånger större än Stjärnor.
storleken på ett kilo, som trädde i kraft den 20 maj 2019, som överenskommits av International Bureau of Weights and Measures (vars franska akronym är BIPM) baseras nu på Plancks konstant.
annons