Если вы поклонник сериала Netflix «Очень странные дела», вы видели волнующую сцену третьего сезона, в которой Дастин пытается уговорить свою умную подругу Сьюзи, которая живет на расстоянии, через радиолюбительскую связь, чтобы она рассказала ему точное значение чего-то, называемого постоянной Планка, которая также является кодом для открытия сейфа, в котором находятся ключи, необходимые для закрытия врат в злонамеренную альтернативную вселенную.
Но прежде чем Сьюзи произнесет магическое число, она требует высокую цену: Дастин должен спеть саундтрек к фильму «Бесконечная история».
Возможно, все это заставило вас задуматься: а что такое постоянная Планка?
Постоянная, открытая 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, образующие вещества и силы, участвующие в их взаимодействии. 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 - и невидимый мир ультрамалых, где энергия ведет себя в некотором роде как волна, а в некотором роде как частица, также известная 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) траектории 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 по-другому. «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 испускает 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 приемлемо."
«Но Макс Планк обнаружил нечто совершенно иное, когда посмотрел 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
Одним из моментов, сбивающих с толку неученых, 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 10-34джоуль-секунды. Текущий расчет, выполненный в 2018 году, составляет h=6,62607015 x 10-34 Джоуль-секунды.
«Хотя эти фундаментальные константы зафиксированы в структуре 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 из 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 лучше поняли, 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 случайно так хорошо совпадали».
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 и согласованный Международным бюро мер и весов (французская аббревиатура которого - BIPM), теперь основан на постоянной Планка.
Интересно
Как поясняет 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 действие эпизода происходило.. Фраас из Virginia Tech рассказывает об этом в этом видео.
Часто задаваемые вопросы
Для чего используется постоянная Планка?
Постоянная Планка используется в квантовой механике для описания поведения частиц на субатомном уровне.