如果你是網(wǎng)飛系列“奇怪物語(yǔ)”的粉絲，你應(yīng)該看過(guò)《氣候》第三季的場(chǎng)景，在這個(gè)場(chǎng)景中，達(dá)斯汀試圖通過(guò)業(yè)余無(wú)線電聯(lián)系哄騙他聰明的異地戀女友蘇西，告訴他一個(gè)叫普朗克常數(shù)的東西的精確值，這也是打開(kāi)一個(gè)保險(xiǎn)箱的密碼，里面有關(guān)閉邪惡的另一個(gè)宇宙大門所需的鑰匙。
德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克在1900年發(fā)明普朗克常數(shù)是，并因此獲得了1918年的諾貝爾獎(jiǎng)
但是在蘇西背誦這個(gè)神奇的數(shù)字之前，她要求一個(gè)很高的價(jià)格:達(dá)斯汀必須為電影《永無(wú)止境的故事》唱主題曲。
這可能會(huì)讓你想知道:到底什么是普朗克常數(shù)?
這個(gè)常數(shù)是由德國(guó)物理學(xué)家馬克斯·普朗克于1900年發(fā)明的，并因此獲得1918年的諾貝爾獎(jiǎng)。它是量子力學(xué)的一個(gè)重要組成部分，量子力學(xué)是研究組成物質(zhì)的微小粒子及其相互作用中所涉及的力的物理學(xué)分支。從計(jì)算機(jī)芯片、太陽(yáng)能電池板到激光器，“物理學(xué)解釋了一切的工作原理。”
看不見(jiàn)的微小世界
在19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，普朗克和其他物理學(xué)家試圖理解經(jīng)典力學(xué)(即牛頓在17世紀(jì)末描述的我們周圍可觀測(cè)世界中的物體運(yùn)動(dòng))和一個(gè)不可見(jiàn)的超微觀世界(在那里，能量在某些方面像波，在某些方面像粒子，也被稱為光子)之間的區(qū)別。
“在量子力學(xué)中，物理學(xué)的工作方式與我們?cè)诤暧^世界中的體驗(yàn)不同，”物理學(xué)家斯蒂芬·施拉姆明格(Stephan Schlamminger)解釋道。作為解釋，他引用了一個(gè)熟悉的諧振子的例子，一個(gè)孩子在秋千上。
“在經(jīng)典力學(xué)中，孩子可以在秋千路徑上的任何振幅(高度)，”Schlamminger說(shuō)。“系統(tǒng)的能量與振幅的平方成正比。因此，這個(gè)孩子可以在從零到某一點(diǎn)的任何連續(xù)的能量范圍內(nèi)擺動(dòng)。”
但當(dāng)你深入到量子力學(xué)的層面時(shí)，情況就不同了。Schlamminger說(shuō)：“振蕩器所能擁有的能量是分立的，就像梯子上的階梯一樣。”“電子從一個(gè)能級(jí)進(jìn)入另一個(gè)能級(jí)時(shí)會(huì)釋放或吸收光子。”
另一位物理學(xué)家達(dá)林·艾爾·哈達(dá)德(Darine El Haddad)用往咖啡里放糖的比喻解釋了普朗克常數(shù)。“在經(jīng)典力學(xué)中，能量是連續(xù)的，這意味著如果我拿著我的糖罐，我可以在我的咖啡中倒入任何數(shù)量的糖，”她說(shuō)。“任何數(shù)量的能量都可以。”
但馬克斯·普朗克深入研究后發(fā)現(xiàn)了一些非常不同的東西。“能量是量子化的，或者是離散的，這意味著我只能添加一個(gè)或兩個(gè)或三個(gè)方糖。只有一定數(shù)量的能量是允許的。”
普朗克常數(shù)根據(jù)光子傳播的波的頻率定義了光子所能攜帶的能量。
物理學(xué)家弗雷德·庫(kù)珀解釋說(shuō)，電磁輻射和基本粒子“本質(zhì)上顯示了粒子和波的特性”。“連接這兩個(gè)實(shí)體的基本常數(shù)是普朗克常數(shù)。電磁能量不能連續(xù)傳遞而是通過(guò)光的離散光子傳遞能量E（能量）由E = hf給出，其中h是普朗克常數(shù)，f是光的頻率。
一個(gè)略微變化的常數(shù)
普朗克常數(shù)讓非科學(xué)家感到困惑的一點(diǎn)是，賦予它的值隨著時(shí)間的推移發(fā)生了微小的變化。回到1985年，公認(rèn)的值是h = 6.626176 x 10-34焦耳秒。目前的計(jì)算是在2018年完成的，h = 6.62607015 x 10-34焦耳秒。
施拉姆明格解釋說(shuō):“雖然這些基本常數(shù)在宇宙的結(jié)構(gòu)中是固定的，但我們?nèi)祟惒⒉恢浪鼈兊拇_切值。”“我們必須建立實(shí)驗(yàn)，以最大限度地發(fā)揮人類的能力來(lái)測(cè)量這些基本常數(shù)。我們的知識(shí)來(lái)自于一些實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)得到了普朗克常數(shù)的平均值。”
為了測(cè)量普朗克常數(shù)，科學(xué)家們使用了兩種不同的實(shí)驗(yàn)——Kibble平衡和x射線晶體密度(XRCD)方法，隨著時(shí)間的推移，他們對(duì)如何獲得更精確的數(shù)字有了更好的理解。“當(dāng)一個(gè)新的數(shù)字公布時(shí)，實(shí)驗(yàn)者提出他們最好的數(shù)字，以及他們對(duì)測(cè)量不確定度的最佳計(jì)算，”施拉明格說(shuō)。“我們有信心，真正的普朗克常數(shù)值已經(jīng)不遠(yuǎn)了。Kibble平衡法和XRCD方法如此不同，但這兩種方法的檢測(cè)結(jié)果如此一致，這絕不僅僅是一個(gè)巧合。”
科學(xué)家計(jì)算中微小的不精確在事情的計(jì)劃中并不是什么大問(wèn)題。但是，如果普朗克常數(shù)是一個(gè)明顯更大或更小的數(shù)字，“我們周圍的世界將完全不同，”弗吉尼亞理工大學(xué)數(shù)學(xué)助理教授馬丁·弗拉斯(Martin Fraas)解釋道。例如，如果常數(shù)的值增加，穩(wěn)定的原子可能比恒星大很多倍。
根據(jù)國(guó)際度量衡局(其法語(yǔ)首字母縮寫(xiě)為BIPM)的協(xié)議，2019年5月20日生效的質(zhì)量單位 Kg 的值現(xiàn)在是基于普朗克常數(shù)得來(lái)的。
