Если вы поклонник сериала Netflix « Очень странные дела », вы видели волнующую сцену третьего сезона, в которой Дастин пытается уговорить свою умную подругу Сьюзи по радиолюбительскому соединению сообщить ему точную стоимость что-то, называемое константой Планка, которая также является кодом для открытия сейфа, содержащего ключи, необходимые для закрытия ворот в злонамеренную альтернативную вселенную.
Но прежде чем Сьюзи произнесет магическое число, она требует высокой цены: Дастин должен спеть заглавную песню к фильму «Бесконечная история ».
Все это, возможно, заставило вас задаться вопросом: что такое постоянная Планка?
Постоянная, введенная в 1900 году немецким физиком Максом Планком , получившим за свою работу Нобелевскую премию 1918 года, является важнейшей частью квантовой механики , раздела физики, изучающего крошечные частицы, из которых состоит материя, и взаимодействующие между ними силы. вовлечены в их взаимодействие. От компьютерных чипов и солнечных батарей до лазеров «это физика объясняет, как все работает».
Невидимый мир сверхмалых
Планк и другие физики в конце 1800-х и начале 1900-х годов пытались понять разницу между классической механикой — то есть движением тел в наблюдаемом мире вокруг нас, описанным сэром Исааком Ньютоном в конце 1600-х годов — и невидимым миром ультрамалая, где энергия ведет себя в чем-то как волна, а в чем-то как частица, известная также как фотон .
«В квантовой механике физика работает иначе, чем наш опыт в макроскопическом мире», — объясняет по электронной почте Стефан Шламмингер , физик из Национального института стандартов и технологий . В качестве объяснения он приводит пример знакомого гармонического осциллятора , ребенка на качелях.
«В классической механике ребенок может находиться на любой амплитуде (высоте) пути качания», — говорит Шламмингер. «Энергия, которой обладает система, пропорциональна квадрату амплитуды. Следовательно, ребенок может колебаться в любом непрерывном диапазоне энергий от нуля до определенной точки».
Но когда вы опускаетесь до уровня квантовой механики, все ведет себя иначе. «Количество энергии, которое может иметь осциллятор, дискретно, как ступеньки на лестнице», — говорит Шламмингер. «Энергетические уровни разделены на h, умноженное на f, где f — частота фотона — частицы света, которую электрон высвобождает или поглощает, чтобы перейти с одного энергетического уровня на другой».
В этом видео 2016 года другой физик NIST, Дарин Эль Хаддад , объясняет постоянную Планка, используя метафору добавления сахара в кофе. «В классической механике энергия непрерывна, а это означает, что если я возьму дозатор сахара, то смогу насыпать в кофе любое количество сахара», — говорит она. «Любое количество энергии в порядке».
«Но Макс Планк обнаружил нечто совершенно иное, когда заглянул глубже, — объясняет она в видео. — Энергия квантована или дискретна, то есть я могу добавить только один кубик сахара, два или три. Допускается только определенное количество энергии».
Постоянная Планка определяет количество энергии, которое может нести фотон, в зависимости от частоты волны, в которой он распространяется.
Электромагнитное излучение и элементарные частицы «внутренне проявляют свойства как частиц, так и волн», объясняет по электронной почте Фред Купер , внештатный профессор Института Санта-Фе , независимого исследовательского центра в Нью-Мексико. «Фундаментальная константа, которая связывает эти два аспекта этих сущностей, — это постоянная Планка. Электромагнитная энергия не может передаваться непрерывно, а передается дискретными фотонами света, энергия которых E определяется выражением E = h f, где h — постоянная Планка, а f — частота света».
Слегка меняющаяся константа
Одной из непонятных для неученых вещей, связанных с постоянной Планка, является то, что приписываемое ей значение с течением времени незначительно менялось. Еще в 1985 году было принято значение h = 6,626176 x 10 -34 джоуль -секунд . Текущий расчет, сделанный в 2018 году, составляет h = 6,62607015 x 10 -34 Джоуль-секунд.
«Хотя эти фундаментальные константы зафиксированы в ткани Вселенной, мы, люди, не знаем их точных значений», — объясняет Шламмингер. «Мы должны построить эксперименты для измерения этих фундаментальных констант в меру человеческих возможностей. Наши знания получены в результате нескольких экспериментов, которые были усреднены для получения среднего значения постоянной Планка».
Для измерения постоянной Планка ученые использовали два разных эксперимента — весы Киббла и метод рентгеновской плотности кристаллов (XRCD)., и со временем они стали лучше понимать, как получить более точное число. «Когда публикуется новое число, экспериментаторы выдвигают свое лучшее число, а также лучший расчет погрешности измерения», — говорит Шламмингер. «Истинное, но неизвестное значение константы, как мы надеемся, должно лежать в интервале плюс/минус неопределенности вокруг опубликованного числа с определенной статистической вероятностью». На данный момент «мы уверены, что истинное значение не за горами. Весы Киббла и метод XRCD настолько различны, что было бы большим совпадением, если бы оба метода так хорошо согласовывались случайно».
Эта крошечная неточность в расчетах ученых не имеет большого значения в схеме вещей. Но если бы постоянная Планка была значительно большим или меньшим числом, «весь мир вокруг нас был бы совершенно другим», — объясняет по электронной почте Мартин Фраас, доцент кафедры математики Технологического института Вирджинии. Например, если бы значение константы было увеличено, стабильные атомы могли бы быть во много раз больше, чем звезды .
Размер килограмма , вступивший в силу 20 мая 2019 года по согласованию с Международным бюро мер и весов (французская аббревиатура которого — BIPM), теперь основан на постоянной Планка.
Теперь это интересно
Как объясняет этот твит от NIST, сценаристы «Очень странных дел» ошиблись и использовали значение постоянной Планка 2014 года, а не то, которое было доступно летом 1985 года, когда был установлен эпизод. Фраас из Virginia Tech рассказывает об этом в этом видео .
