en waarom is het universum ervan afhankelijk? De constante van Planck werd in 1900 bedacht door de Duitse natuurkundige Dr. Max Planck, die in 1918 de Nobelprijs voor zijn werk zou winnen. De constante is een cruciaal onderdeel van de kwantummechanica, de tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met de kleine deeltjes waaruit materie bestaat en de krachten die betrokken zijn bij hun interacties. Bibliotheek van het Congres

Als je een fan bent van de Netflix-serie "Stranger Things, " je hebt de klimatologische scène van seizoen drie gezien, waarin Dustin zijn slimme langeafstandsvriendin Suzie via een hamradioverbinding probeert over te halen hem de precieze waarde te vertellen van iets dat Planck's constante wordt genoemd, wat toevallig ook de code is om een ​​kluis te openen die de sleutels bevat die nodig zijn om de poort naar een kwaadaardig alternatief universum te sluiten.

Maar voordat Suzie het magische getal opzegt, ze eist een hoge prijs:Dustin moet het themalied van de film 'The NeverEnding Story' zingen.

Dit alles heeft je misschien doen afvragen:wat is precies de constante van Planck, hoe dan ook?

De constante - in 1900 bedacht door een Duitse natuurkundige genaamd Max Planck, wie de Nobelprijs van 1918 zou winnen voor zijn werk - is een cruciaal onderdeel van de kwantummechanica, de tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met de kleine deeltjes waaruit materie bestaat en de krachten die betrokken zijn bij hun interacties. Van computerchips en zonnepanelen tot lasers, "het is de fysica die verklaart hoe alles werkt."

De onzichtbare wereld van de ultrakleine

Planck en andere natuurkundigen probeerden eind 1800 en begin 1900 het verschil tussen klassieke mechanica te begrijpen - dat wil zeggen, de beweging van lichamen in de waarneembare wereld om ons heen, beschreven door Sir Isaac Newton aan het eind van de 17e eeuw - en een onzichtbare wereld van de ultrakleine, waar energie zich in sommige opzichten als een golf en in sommige opzichten als een deeltje gedraagt, ook wel een foton genoemd.

"In de kwantummechanica, natuurkunde werkt anders dan onze ervaringen in de macroscopische wereld, " legt Stephan Schlamminger uit, een natuurkundige voor het National Institute of Standards and Technology, per email. Als uitleg, hij noemt het voorbeeld van een bekende harmonische oscillator, een kind op een schommel.

"In de klassieke mechanica, het kind kan zich op elke amplitude (hoogte) op het pad van de schommel bevinden, "zegt Schlamminger. "De energie die het systeem heeft is evenredig met het kwadraat van de amplitude. Vandaar, het kind kan schommelen op elk continu bereik van energieën van nul tot een bepaald punt."

Maar als je naar het niveau van de kwantummechanica gaat, dingen gedragen zich anders. "De hoeveelheid energie die een oscillator zou kunnen hebben is discreet, als sporten op een ladder, "zegt Schlamminger. "De energieniveaus zijn gescheiden door h keer f, waarbij f de frequentie is van het foton - een deeltje van licht - dat een elektron zou vrijgeven of absorberen om van het ene energieniveau naar het andere te gaan."

In deze video uit 2016 een andere NIST-fysicus, Darine El Haddad, legt de constante van Planck uit met behulp van de metafoor van suiker in koffie doen. "In de klassieke mechanica, energie is continu, wat betekent dat als ik mijn suikerdispenser neem, Ik kan elke hoeveelheid suiker in mijn koffie gieten, "zegt ze. "Elke hoeveelheid energie is oké."

"Maar Max Planck ontdekte iets heel anders toen hij dieper keek, legt ze uit in de video. "Energie wordt gekwantificeerd, of het is discreet, wat betekent dat ik maar één suikerklontje of twee of drie kan toevoegen. Er is maar een bepaalde hoeveelheid energie toegestaan."

De constante van Planck definieert de hoeveelheid energie die een foton kan dragen, volgens de frequentie van de golf waarin hij zich voortplant.

Elektromagnetische straling en elementaire deeltjes "vertonen intrinsiek zowel deeltjes- als golfeigenschappen, " legt Fred Cooper uit, een externe professor aan het Santa Fe Institute, een onafhankelijk onderzoekscentrum in New Mexico, per email. "De fundamentele constante die deze twee aspecten van deze entiteiten verbindt, is de constante van Planck. Elektromagnetische energie kan niet continu worden overgedragen, maar wordt overgedragen door discrete fotonen van licht waarvan de energie E wordt gegeven door E = H F, waarbij h de constante van Planck is, en f is de frequentie van het licht."

Een licht veranderende constante

Een van de verwarrende dingen voor niet-wetenschappers over de constante van Planck is dat de waarde die eraan wordt toegekend in de loop van de tijd met kleine hoeveelheden is veranderd. Terug in 1985, de geaccepteerde waarde was h =6.626176 x 10 ^-34 Joule-seconden. De huidige berekening, gedaan in 2018, is h =6.62607015 x 10 ^-34 Joule-seconden.

"Terwijl deze fundamentele constanten vastliggen in het weefsel van het universum, wij mensen kennen hun exacte waarden niet, " legt Schlamminger uit. "We moeten experimenten bouwen om deze fundamentele constanten zo goed mogelijk te meten. Onze kennis komt van een paar experimenten die werden gemiddeld om een ​​gemiddelde waarde voor de constante van Planck te produceren."

Om de constante van Planck te meten, wetenschappers hebben twee verschillende experimenten gebruikt:de Kibble-balans en de X-ray Crystal Density (XRCD)-methode, en na verloop van tijd, ze hebben een beter begrip ontwikkeld van hoe ze een nauwkeuriger aantal kunnen krijgen. "Als er een nieuw nummer wordt gepubliceerd, de onderzoekers brachten hun beste getal naar voren, evenals hun beste berekening van de onzekerheid in hun meting, "zegt Schlamminger. "De echte, maar onbekende waarde van de constante, zou hopelijk in het interval van plus/min de onzekerheid rond het gepubliceerde getal moeten liggen, met een zekere statistische waarschijnlijkheid." Op dit punt, "we zijn ervan overtuigd dat de echte waarde niet ver weg is. De Kibble-balans en de XRCD-methode zijn zo verschillend dat het een groot toeval zou zijn dat beide manieren toevallig zo goed overeenkomen."

Die kleine onnauwkeurigheid in de berekeningen van wetenschappers is niet erg in het geheel van dingen. Maar als de constante van Planck een significant groter of kleiner getal was, "de hele wereld om ons heen zou totaal anders zijn, " legt Martin Fraas uit, een assistent-professor in de wiskunde aan Virginia Tech, per email. Als de waarde van de constante werd verhoogd, bijvoorbeeld, stabiele atomen kunnen vele malen groter zijn dan sterren.

De grootte van een kilogram, die op 20 mei in werking is getreden, 2019, zoals overeengekomen door het International Bureau of Weights and Measures (waarvan het Franse acroniem BIPM is) is nu gebaseerd op de constante van Planck.

Dat is nu interessant

Zoals deze tweet van NIST uitlegt, de schrijvers van "Stranger Things" gleden uit en gebruikten de waarde van 2014 voor de constante van Planck, in plaats van degene die in de zomer van 1985 beschikbaar zou zijn geweest, wanneer de aflevering is ingesteld. Fraas van Virginia Tech legt het allemaal uit in deze video.