什么是普朗克常数,为什么宇宙依赖它?

由:Patrick j . Kiger|

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普朗克常数是由德国物理学家马克斯·普朗克博士于1900年提出的,他因此获得了1918年的诺贝尔奖。这个常数是量子力学的重要组成部分。量子力学是物理学的一个分支,研究组成物质的微小粒子及其相互作用中的力。美国国会图书馆

如果你是Netflix的粉丝陌生的东西”,你已经看过第三季的气候场景了,达斯汀试图通过无线电连接哄骗他那聪明的远距离女友苏西告诉他一个叫做普朗克常数的精确值,而这个密码恰好是用来打开保险箱的,而保险箱里的钥匙是用来关闭通往另一个邪恶宇宙的大门的。

但在苏茜说出这个神奇的数字之前,她提出了一个很高的代价:达斯汀必须这么做唱电影《永无止境的故事》的主题曲."

这一切可能会让你想知道:普朗克常数到底是什么?

常数-由一个德国人在1900年发明物理学家命名马克斯·普朗克他在1918年因其工作而获得诺贝尔奖量子力学物理学的一个分支,研究构成物质的微小粒子及其相互作用中的力。从电脑芯片、太阳能电池板到激光,“它是物理学解释了一切是如何工作的。”

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超级小的无形世界

普朗克和其他物理学家在19世纪末和20世纪初试图理解两者之间的区别经典力学——也就是我们周围可观测世界中物体的运动,由艾萨克·牛顿爵士在17世纪晚期描述——以及一个看不见的超小世界,在这个世界中,能量在某些方面像波,在某些方面像粒子,也被称为光子

“在量子力学中,物理学的工作原理与我们在宏观世界中的经验不同,”解释说Stephan Schlamminger,一位物理学家国家标准与技术研究所,通过电子邮件。作为解释,他引用了一个熟悉的例子谐振子,一个在秋千上的孩子。

Schlamminger说:“在经典力学中,孩子可以在秋千的路径上处于任何振幅(高度)。”“系统的能量与振幅的平方成正比。因此,孩子可以在从零到某一点的任何连续能量范围内摇摆。”

但当你深入到量子力学的层面,事情的表现就不同了。“一个振荡器所能具有的能量是离散的,就像梯子上的梯级,”施拉米格尔说。“能级由h乘以f分开,f是光子的频率——一个光的粒子——一个电子从一个能级到另一个能级会释放或吸收。”

在2016年的视频中,另一位NIST物理学家,Darine El哈达德普朗克常数用把糖放进咖啡的比喻来解释。她说:“在经典力学中,能量是连续的,这意味着如果我拿着糖机,我可以往咖啡里倒任何数量的糖。”“任何能量都可以。”

但她在视频中解释说,马克斯·普朗克在深入研究时发现了一些非常不同的东西。“能量是量子化的,或者是离散的,这意味着我只能添加一个或两个或三个方糖。只允许使用一定数量的能量。”

普朗克常数根据光子所传播的波的频率,定义了光子所能携带的能量。

电磁辐射和基本粒子“在本质上同时显示出粒子和波的特性,”解释说弗雷德·库珀他是哈佛大学的外聘教授圣菲研究所这是新墨西哥州的一家独立研究中心。“连接这两个方面的基本常数是普朗克常数。电磁能量不能连续传递,而是通过光的离散光子传递,其能量E为E =hf,其中h是普朗克常数,f是光的频率

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一个略有变化的常数

对于非科学家来说,普朗克常数令人困惑的一点是,它的值随着时间的推移发生了微小的变化。早在1985年,公认的值是h = 6.626176 x 10-34年Joule-seconds.目前的计算是在2018年完成的,h = 6.62607015 x 10-34年Joule-seconds。

“虽然这些基本常数在宇宙的结构中是固定的,但我们人类并不知道它们的确切值,”施拉米格尔解释说。“我们必须建立实验,以最大限度地衡量人类的能力。我们的知识来自于一些实验,这些实验的平均值是为了得到普朗克常数的平均值。”

为了测量普朗克常数,科学家们使用了两个不同的实验吊桶平衡x射线晶体密度法随着时间的推移,他们对如何得到一个更精确的数字有了更好的理解。施拉米格尔说:“当一个新数字被公布时,实验者会提出他们最好的数字,以及他们测量不确定度的最佳计算方法。”“这个常数的真实值,但未知的值,应该有希望位于公布数字的不确定性的正负区间内,具有一定的统计概率。”在这一点上,“我们相信,真正的价值已经不远了。”Kibble平衡法和XRCD法是如此不同,如果两种方法都如此巧合地一致,那将是一个重大的巧合。”

科学家计算中微小的不精确在事情的计划中并不是什么大问题。但是,如果普朗克常数是一个明显更大或更小的数字,“我们周围的世界将完全不同,”弗吉尼亚理工大学数学助理教授马丁·弗拉斯(Martin Fraas)在电子邮件中解释道。例如,如果这个常数的值增加,稳定原子可能会变大比恒星大很多倍

一公斤大小根据国际度量局(其法语首字母缩写为BIPM)的协议,该规则于2019年5月20日生效,目前该规则是以普朗克常数为基础的。

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