Jeśli jesteś fanem serialu Netflix „ Stranger Things ”, widziałeś klimatyczną scenę trzeciego sezonu, w której Dustin próbuje nakłonić swoją inteligentną dziewczynę z dalekiego zasięgu Suzie przez połączenie krótkofalowe, aby powiedziała mu dokładną wartość coś, co nazywa się stałą Plancka, która jest również kodem otwierającym sejf zawierający klucze potrzebne do zamknięcia bramy do złowrogiego alternatywnego wszechświata.
Ale zanim Suzie wyrecytuje magiczny numer, musi zapłacić wysoką cenę: Dustin musi zaśpiewać piosenkę przewodnią do filmu „Niekończąca się historia ”.
To wszystko mogło skłonić cię do zastanowienia się: czym właściwie jest stała Plancka?
Stała — wynaleziona w 1900 roku przez niemieckiego fizyka Maxa Plancka , który za swoją pracę zdobył Nagrodę Nobla w 1918 roku — jest kluczową częścią mechaniki kwantowej , gałęzi fizyki zajmującej się maleńkimi cząstkami tworzącymi materię i siłami. zaangażowanych w ich interakcje. Od chipów komputerowych i paneli słonecznych po lasery, „to fizyka wyjaśnia, jak wszystko działa”.
Niewidzialny świat Ultramałego
Planck i inni fizycy pod koniec XIX i na początku XX wieku próbowali zrozumieć różnicę między mechaniką klasyczną — to znaczy ruchem ciał w obserwowalnym świecie wokół nas, opisanym przez Sir Isaaca Newtona pod koniec XVII wieku — a niewidzialnym światem ultramałe, gdzie energia zachowuje się pod pewnymi względami jak fala, a pod pewnymi jak cząsteczka, znana również jako foton .
„W mechanice kwantowej fizyka działa inaczej niż nasze doświadczenia w świecie makroskopowym” – wyjaśnia w e-mailu Stephan Schlamminger , fizyk z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii . Jako wyjaśnienie przytacza przykład znanego oscylatora harmonicznego , dziecka na huśtawce.
„W mechanice klasycznej dziecko może mieć dowolną amplitudę (wysokość) na ścieżce huśtawki” – mówi Schlamminger. „Energia, którą ma system, jest proporcjonalna do kwadratu amplitudy. Dlatego dziecko może wahać się w dowolnym ciągłym zakresie energii od zera do pewnego punktu”.
Ale kiedy zejdziesz do poziomu mechaniki kwantowej, sprawy zachowują się inaczej. „Ilość energii, jaką może mieć oscylator, jest dyskretna, jak szczeble drabiny” – mówi Schlamminger. „Poziomy energii są rozdzielone przez h razy f, gdzie f jest częstotliwością fotonu – cząstki światła – którą elektron uwolniłby lub wchłonął, aby przejść z jednego poziomu energii na drugi”.
W tym filmie z 2016 r. inny fizyk NIST, Darine El Haddad , wyjaśnia stałą Plancka, używając metafory dodawania cukru do kawy. „W mechanice klasycznej energia jest ciągła, co oznacza, że jeśli wezmę cukiernicę, mogę wlać do kawy dowolną ilość cukru” – mówi. „Każda ilość energii jest w porządku”.
„Ale Max Planck odkrył coś zupełnie innego, kiedy zajrzał głębiej, wyjaśnia w filmie. „Energia jest skwantowana lub dyskretna, co oznacza, że mogę dodać tylko jedną kostkę cukru, dwie lub trzy. Dozwolona jest tylko pewna ilość energii.”
Stała Plancka określa ilość energii, jaką foton może przenosić, zgodnie z częstotliwością fali, w której się porusza.
Promieniowanie elektromagnetyczne i cząstki elementarne „wykazują wewnętrznie zarówno właściwości cząstek, jak i fal”, wyjaśnia w e-mailu Fred Cooper , zewnętrzny profesor w Santa Fe Institute , niezależnym ośrodku badawczym w Nowym Meksyku. „Podstawową stałą, która łączy te dwa aspekty tych bytów, jest stała Plancka. Energia elektromagnetyczna nie może być przenoszona w sposób ciągły, ale jest przekazywana przez dyskretne fotony światła, których energia E jest dana przez E = hf, gdzie h jest stałą Plancka, a f jest częstotliwość światła”.
Nieco zmieniająca się stała
Jedną z niejasnych rzeczy dla nienaukowców dotyczących stałej Plancka jest to, że przypisana do niej wartość zmieniała się w niewielkich ilościach w czasie. W 1985 roku akceptowana wartość wynosiła h = 6,626176 x 10-34 dżule -sekundy . Aktualne obliczenia, wykonane w 2018 r., to h = 6,62607015 x 10-34 dżuli -sekundy.
„Podczas gdy te podstawowe stałe są utrwalone we wszechświecie, my, ludzie, nie znamy ich dokładnych wartości”, wyjaśnia Schlamminger. „Musimy tworzyć eksperymenty, aby zmierzyć te podstawowe stałe, najlepiej jak potrafi ludzkość. Nasza wiedza pochodzi z kilku eksperymentów, które zostały uśrednione w celu uzyskania średniej wartości stałej Plancka”.
Aby zmierzyć stałą Plancka, naukowcy wykorzystali dwa różne eksperymenty — metodę równowagi Kibble i metodę rentgenowskiej gęstości kryształów (XRCD), a z biegiem czasu udało im się lepiej zrozumieć, jak uzyskać dokładniejsze liczby. „Kiedy publikowana jest nowa liczba, eksperymentatorzy przedstawiają swoją najlepszą liczbę, a także najlepsze obliczenie niepewności pomiaru” – mówi Schlamminger. „Prawdziwa, ale nieznana wartość stałej powinna leżeć w przedziale plus/minus niepewności wokół opublikowanej liczby, z pewnym prawdopodobieństwem statystycznym”. W tym momencie „jesteśmy pewni, że prawdziwa wartość nie jest odległa. Równowaga Kibble i metoda XRCD są tak różne, że byłoby wielkim zbiegiem okoliczności, że oba sposoby są tak dobrze zbieżne przez przypadek”.
Ta niewielka nieścisłość w obliczeniach naukowców nie jest wielkim problemem w schemacie rzeczy. Ale gdyby stała Plancka była znacznie większa lub mniejsza, „cały świat wokół nas byłby zupełnie inny” – wyjaśnia w e-mailu Martin Fraas, asystent profesora matematyki w Virginia Tech. Gdyby np. zwiększyć wartość stałej, stabilne atomy mogą być wielokrotnie większe niż gwiazdy .
Wielkość kilograma , która weszła w życie 20 maja 2019 r., zgodnie z ustaleniami Międzynarodowego Biura Miar (którego francuskim akronimem jest BIPM) jest teraz oparta na stałej Plancka.
Teraz to jest interesujące
Jak wyjaśnia ten tweet z NIST, autorzy „Stranger Things” pomylili się i wykorzystali wartość z 2014 roku dla stałej Plancka, zamiast tej, która byłaby dostępna latem 1985 roku, kiedy odcinek był rozgrywany. Fraas z Virginia Tech przedstawia to wszystko w tym filmie .
