Se você é fã da série da Netflix " Stranger Things ", já viu a cena climática da terceira temporada, na qual Dustin tenta persuadir sua inteligente namorada de longa distância Suzie por uma conexão de rádio amador a dizer a ele o valor preciso de algo chamado constante de Planck, que também é o código para abrir um cofre que contém as chaves necessárias para fechar o portão para um universo alternativo malévolo.
Mas antes de Suzie recitar o número mágico, ela cobra um preço alto: Dustin tem que cantar a música tema do filme "A História Sem Fim ".
Isso tudo pode ter levado você a se perguntar: afinal, qual é exatamente a constante de Planck?
A constante – criada em 1900 por um físico alemão chamado Max Planck , que ganharia o Prêmio Nobel de 1918 por seu trabalho – é uma parte crucial da mecânica quântica , o ramo da física que lida com as minúsculas partículas que compõem a matéria e as forças envolvidos em suas interações. De chips de computador e painéis solares a lasers, "é a física que explica como tudo funciona".
O mundo invisível do ultrapequeno
Planck e outros físicos no final de 1800 e início de 1900 estavam tentando entender a diferença entre a mecânica clássica – isto é, o movimento dos corpos no mundo observável ao nosso redor, descrito por Sir Isaac Newton no final de 1600 – e um mundo invisível de o ultrapequeno, onde a energia se comporta em alguns aspectos como uma onda e em alguns aspectos como uma partícula, também conhecida como fóton .
"Na mecânica quântica, a física funciona de maneira diferente de nossas experiências no mundo macroscópico", explica Stephan Schlamminger , físico do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia , por e-mail. Como explicação, ele cita o exemplo de um oscilador harmônico familiar , uma criança em um balanço.
"Na mecânica clássica, a criança pode estar em qualquer amplitude (altura) no caminho do balanço", diz Schlamminger. "A energia que o sistema possui é proporcional ao quadrado da amplitude. Assim, a criança pode balançar em qualquer faixa contínua de energias de zero até certo ponto."
Mas quando você desce ao nível da mecânica quântica, as coisas se comportam de maneira diferente. "A quantidade de energia que um oscilador pode ter é discreta, como degraus de uma escada", diz Schlamminger. "Os níveis de energia são separados por h vezes f, onde f é a frequência do fóton - uma partícula de luz - que um elétron liberaria ou absorveria para ir de um nível de energia para outro."
Neste vídeo de 2016, outra física do NIST, Darine El Haddad , explica a constante de Planck usando a metáfora de colocar açúcar no café. “Na mecânica clássica, a energia é contínua, ou seja, se eu pegar meu dispensador de açúcar, posso colocar qualquer quantidade de açúcar no meu café”, diz ela. "Qualquer quantidade de energia está OK."
“Mas Max Planck encontrou algo muito diferente quando olhou mais fundo, ela explica no vídeo. “A energia é quantizada, ou é discreta, o que significa que só posso adicionar um ou dois ou três cubos de açúcar. Apenas uma certa quantidade de energia é permitida."
A constante de Planck define a quantidade de energia que um fóton pode transportar, de acordo com a frequência da onda em que viaja.
A radiação eletromagnética e as partículas elementares "exibem intrinsecamente propriedades de partículas e ondas", explica Fred Cooper , professor externo do Instituto Santa Fe , um centro de pesquisa independente no Novo México, por e-mail. "A constante fundamental que conecta esses dois aspectos dessas entidades é a constante de Planck. A energia eletromagnética não pode ser transferida continuamente, mas é transferida por fótons discretos de luz cuja energia E é dada por E = h f, onde h é a constante de Planck e f é a frequência da luz."
Uma Constante Ligeiramente Mutável
Uma das coisas confusas para os não cientistas sobre a constante de Planck é que o valor atribuído a ela mudou em pequenas quantidades ao longo do tempo. Em 1985, o valor aceito era h = 6,626176 x 10 -34 Joule-seconds . O cálculo atual, feito em 2018, é h = 6,62607015 x 10 -34 Joule-segundos.
“Enquanto essas constantes fundamentais são fixadas no tecido do universo, nós humanos não sabemos seus valores exatos”, explica Schlamminger. "Temos que construir experimentos para medir essas constantes fundamentais com o melhor da capacidade da humanidade. Nosso conhecimento vem de alguns experimentos que foram calculados para produzir um valor médio para a constante de Planck."
Para medir a constante de Planck, os cientistas usaram dois experimentos diferentes - o equilíbrio de Kibble e o método de densidade de cristal de raios-X (XRCD)., e com o tempo, eles desenvolveram uma melhor compreensão de como obter um número mais preciso. "Quando um novo número é publicado, os experimentadores apresentam seu melhor número, bem como seu melhor cálculo da incerteza em sua medição", diz Schlamminger. "O valor verdadeiro, mas desconhecido da constante, deve estar no intervalo de mais/menos a incerteza em torno do número publicado, com uma certa probabilidade estatística." Neste ponto, "estamos confiantes de que o verdadeiro valor não está longe. O equilíbrio de Kibble e o método XRCD são tão diferentes que seria uma grande coincidência que ambas as formas concordassem tão bem por acaso".
Essa pequena imprecisão nos cálculos dos cientistas não é grande coisa no esquema das coisas. Mas se a constante de Planck fosse um número significativamente maior ou menor, "todo o mundo ao nosso redor seria completamente diferente", explica Martin Fraas, professor assistente de matemática na Virginia Tech, por e-mail. Se o valor da constante fosse aumentado, por exemplo, os átomos estáveis poderiam ser muitas vezes maiores que as estrelas .
O tamanho de um quilograma , que entrou em vigor em 20 de maio de 2019, conforme acordado pelo Bureau Internacional de Pesos e Medidas (cujo acrônimo em francês é BIPM) agora é baseado na constante de Planck.
Agora isso é interessante
Como este tweet do NIST explica, os escritores de "Stranger Things" erraram e utilizaram o valor de 2014 para a constante de Planck, em vez do que estaria disponível no verão de 1985, quando o episódio foi definido. Fraas, da Virginia Tech, explica tudo neste vídeo .
