Hvad er Plancks Constant,

Hvis du er fan af Netflix -serien "Stranger Things, "Du har set den klimatiske sæson tre scene, hvor Dustin forsøger at lokke sin hjerneklare langdistance-kæreste Suzie over en skinke-radioforbindelse til at fortælle ham den præcise værdi af noget, der kaldes Plancks konstant, hvilket også tilfældigvis er koden til at åbne et pengeskab, der indeholder de nøgler, der er nødvendige for at lukke porten til et ondsindet alternativt univers.

Men før Suzie vil recitere det magiske nummer, hun kræver en høj pris:Dustin skal synge temasangen til filmen "The NeverEnding Story".

Dette kan alle have fået dig til at spekulere på:Hvad er Plancks konstant, alligevel?

Konstanten - udtænkt i 1900 af en tysk fysiker ved navn Max Planck, hvem ville vinde Nobelprisen i 1918 for sit arbejde - er en afgørende del af kvantemekanikken, fysikens gren, der omhandler de små partikler, der udgør stof og de kræfter, der er involveret i deres interaktioner. Fra computerchips og solpaneler til lasere, "det er fysikken, der forklarer, hvordan alt fungerer."

Ultrasmallens usynlige verden

Planck og andre fysikere i slutningen af ​​1800'erne og begyndelsen af ​​1900'erne forsøgte at forstå forskellen mellem klassisk mekanik - det vil sige legemers bevægelse i den observerbare verden omkring os, beskrevet af Sir Isaac Newton i slutningen af ​​1600'erne - og en usynlig verden af ​​ultralavet, hvor energi opfører sig på en eller anden måde som en bølge og på nogle måder som en partikel, også kendt som en foton.

"I kvantemekanik, fysik fungerer anderledes end vores oplevelser i den makroskopiske verden, "forklarer Stephan Schlamminger, en fysiker for National Institute of Standards and Technology, via e -mail. Som forklaring, han nævner eksemplet på en velkendt harmonisk oscillator, et barn på et gyngesæt.

"I klassisk mekanik, barnet kan være i enhver amplitude (højde) på gyngens vej, "Siger Schlamminger." Den energi, systemet har, er proportional med kvadratet af amplituden. Derfor, barnet kan svinge i ethvert kontinuerligt energiområde fra nul til et bestemt punkt. "

Men når du kommer ned på kvantemekanikniveauet, ting opfører sig anderledes. "Mængden af ​​energi, som en oscillator kunne have, er diskret, som trin på en stige, "Siger Schlamminger." Energiniveauerne adskilles med h gange f, hvor f er fotonens frekvens - en lyspartikel - ville en elektron frigive eller absorbere for at gå fra et energiniveau til et andet. "

I denne 2016 video, en anden NIST -fysiker, Darine El Haddad, forklarer Plancks konstante ved hjælp af metaforen om at putte sukker i kaffe. "I klassisk mekanik, energien er kontinuerlig, altså hvis jeg tager min sukkerdispenser, Jeg kan hælde enhver mængde sukker i min kaffe, "siger hun." Enhver mængde energi er OK. "

"Men Max Planck fandt noget helt andet, da han så dybere, forklarer hun i videoen. "Energi er kvantificeret, eller det er diskret, hvilket betyder, at jeg kun kan tilføje en sukkerterning eller to eller tre. Kun en vis mængde energi er tilladt. "

Plancks konstant definerer mængden af ​​energi, som en foton kan bære, i henhold til frekvensen af ​​den bølge, den bevæger sig i.

Elektromagnetisk stråling og elementarpartikler "viser i sig selv partikel- og bølgeegenskaber, "forklarer Fred Cooper, en ekstern professor ved Santa Fe Institute, et uafhængigt forskningscenter i New Mexico, via e -mail. "Den grundlæggende konstant, der forbinder disse to aspekter af disse enheder, er Plancks konstant. Elektromagnetisk energi kan ikke overføres kontinuerligt, men overføres af diskrete fotoner af lys, hvis energi E er givet af E = h f, hvor h er Plancks konstant, og f er lysets frekvens. "

En lidt skiftende konstant

En af de forvirrende ting for nonscientists ved Plancks konstant er, at den værdi, der er tildelt den, har ændret sig med små mængder over tid. Tilbage i 1985, den accepterede værdi var h =6,626176 x 10 ^-34 Joule-sekunder. Den aktuelle beregning, udført i 2018, er h =6,62607015 x 10 ^-34 Joule-sekunder.

"Mens disse grundlæggende konstanter er fastgjort i universets struktur, vi mennesker kender ikke deres nøjagtige værdier, "Schlamminger forklarer." Vi er nødt til at bygge eksperimenter for at måle disse grundlæggende konstanter efter bedste evne til menneskeheden. Vores viden stammer fra et par eksperimenter, der blev beregnet i gennemsnit til at producere en middelværdi for Planck -konstanten. "

For at måle Plancks konstant, forskere har brugt to forskellige eksperimenter-Kibble-balancen og røntgenkrystaldensitetsmetoden (XRCD), og over tid, de har udviklet en bedre forståelse af, hvordan man får et mere præcist tal. "Når et nyt nummer offentliggøres, eksperimenterne fremlægger deres bedste tal samt deres bedste beregning af usikkerheden i deres måling, "Siger Schlamminger." Det sande, men ukendt værdi af konstanten, forhåbentlig skulle ligge i intervallet mellem plus/minus usikkerheden omkring det offentliggjorte nummer, med en vis statistisk sandsynlighed. "På dette tidspunkt, "vi er overbeviste om, at den sande værdi ikke er langt væk. Kibble -balancen og XRCD -metoden er så forskellige, at det ville være en stor tilfældighed, at begge veje er tilfældigt så godt enige."

Den lille upræcision i forskernes beregninger er ikke en stor ting i tingene. Men hvis Plancks konstant var et betydeligt større eller mindre tal, "hele verden omkring os ville være helt anderledes, "forklarer Martin Fraas, en adjunkt i matematik ved Virginia Tech, via e -mail. Hvis værdien af ​​konstanten blev øget, for eksempel, stabile atomer kan være mange gange større end stjerner.

Størrelsen på et kilo, som trådte i kraft den 20. maj, 2019, som aftalt af International Bureau of Weights and Measures (hvis franske akronym er BIPM) er nu baseret på Plancks konstant.

Som denne tweet fra NIST forklarer, forfatterne af "Stranger Things" smuttede op og udnyttede 2014 -værdien til Plancks konstante, frem for den, der ville have været tilgængelig i sommeren 1985, da afsnittet blev sat. Virginia Techs Fraas beskriver det hele i denne video.