La costante di Planck fu ideata nel 1900 dal fisico tedesco Dr. Max Planck, che avrebbe vinto il premio Nobel 1918 per il suo lavoro. La costante è una parte cruciale della meccanica quantistica, la branca della fisica che si occupa delle minuscole particelle che compongono la materia e delle forze coinvolte nelle loro interazioni. Libreria del Congresso Se sei un fan della serie Netflix "Stranger Things, " hai visto la scena della terza stagione climatica, in cui Dustin cerca di persuadere la sua intelligente fidanzata interurbana Suzie tramite una connessione radioamatoriale a dirgli il valore preciso di una cosa chiamata costante di Planck, che è anche il codice per aprire una cassaforte che contiene le chiavi necessarie per chiudere il cancello di un malevolo universo alternativo.
Ma prima che Suzie reciti il numero magico, lei esige un prezzo alto:Dustin deve cantare la sigla del film "The NeverEnding Story".
Tutto ciò potrebbe averti portato a chiederti:qual è esattamente la costante di Planck, comunque?
La costante - ideata nel 1900 da un fisico tedesco di nome Max Planck, che avrebbe vinto il premio Nobel nel 1918 per il suo lavoro - è una parte cruciale della meccanica quantistica, la branca della fisica che si occupa delle minuscole particelle che compongono la materia e delle forze coinvolte nelle loro interazioni. Dai chip per computer e pannelli solari ai laser, "è la fisica che spiega come funziona tutto."
Planck e altri fisici alla fine del 1800 e all'inizio del 1900 stavano cercando di capire la differenza tra la meccanica classica, cioè il moto dei corpi nel mondo osservabile che ci circonda, descritto da Sir Isaac Newton alla fine del 1600 - e un mondo invisibile di ultrapiccoli, dove l'energia si comporta in qualche modo come un'onda e in qualche modo come una particella, noto anche come fotone.
"Nella meccanica quantistica, la fisica funziona diversamente dalle nostre esperienze nel mondo macroscopico, " spiega Stephan Schlamminger, un fisico per il National Institute of Standards and Technology, per e-mail. Come spiegazione, cita l'esempio di un oscillatore armonico familiare, un bambino su un'altalena.
"Nella meccanica classica, il bambino può trovarsi a qualsiasi ampiezza (altezza) sul percorso dell'altalena, " dice Schlamminger. "L'energia che il sistema possiede è proporzionale al quadrato dell'ampiezza. Quindi, il bambino può oscillare a qualsiasi gamma continua di energie da zero fino a un certo punto."
Ma quando si scende al livello della meccanica quantistica, le cose si comportano diversamente. "La quantità di energia che un oscillatore potrebbe avere è discreta, come pioli su una scala, " dice Schlamminger. "I livelli di energia sono separati da h per f, dove f è la frequenza del fotone, una particella di luce, che un elettrone rilascerebbe o assorbirebbe per passare da un livello di energia a un altro".
In questo video del 2016 un altro fisico del NIST, Darine El Haddad, spiega la costante di Planck usando la metafora di mettere lo zucchero nel caffè. "Nella meccanica classica, l'energia è continua, nel senso che se prendo il mio dosatore di zucchero, Posso versare qualsiasi quantità di zucchero nel mio caffè, " dice. "Qualsiasi quantità di energia è OK."
"Ma Max Planck ha scoperto qualcosa di molto diverso quando ha guardato più a fondo, spiega nel video. "L'energia è quantizzata, o è discreto, il che significa che posso aggiungere solo una zolletta di zucchero o due o tre. È consentita solo una certa quantità di energia."
La costante di Planck definisce la quantità di energia che un fotone può trasportare, secondo la frequenza dell'onda in cui viaggia.
La radiazione elettromagnetica e le particelle elementari "dispongono intrinsecamente sia delle proprietà delle particelle che delle onde, " spiega Fred Cooper, un professore esterno al Santa Fe Institute, un centro di ricerca indipendente nel New Mexico, per e-mail. "La costante fondamentale che collega questi due aspetti di queste entità è la costante di Planck. L'energia elettromagnetica non può essere trasferita in modo continuo ma viene trasferita da fotoni discreti di luce la cui energia E è data da E = h F, dove h è la costante di Planck, e f è la frequenza della luce."
Una delle cose confuse per i non scienziati sulla costante di Planck è che il valore ad essa assegnato è cambiato di piccole quantità nel tempo. Già nel 1985, il valore accettato era h =6.626176 x 10 -34 Joule-secondi. Il calcolo attuale, fatto nel 2018, è h =6.62607015 x 10 -34 Joule-secondi.
"Mentre queste costanti fondamentali sono fissate nel tessuto dell'universo, noi umani non conosciamo i loro valori esatti, "Spiega Schlamminger. "Dobbiamo costruire esperimenti per misurare queste costanti fondamentali al meglio delle capacità dell'umanità. La nostra conoscenza deriva da alcuni esperimenti che sono stati mediati per produrre un valore medio per la costante di Planck".
Per misurare la costante di Planck, gli scienziati hanno utilizzato due diversi esperimenti:l'equilibrio di Kibble e il metodo della densità dei cristalli di raggi X (XRCD), e nel tempo, hanno sviluppato una migliore comprensione di come ottenere un numero più preciso. "Quando viene pubblicato un nuovo numero, gli sperimentatori hanno presentato il loro miglior numero e il loro miglior calcolo dell'incertezza nella loro misurazione, " dice Schlamminger. "Il vero, ma valore sconosciuto della costante, dovrebbe eventualmente trovarsi nell'intervallo di più/meno l'incertezza intorno al numero pubblicato, con una certa probabilità statistica." A questo punto, "siamo fiduciosi che il vero valore non sia lontano. Il bilanciamento di Kibble e il metodo XRCD sono così diversi che sarebbe una coincidenza importante che entrambi i modi siano così d'accordo per caso."
Quella piccola imprecisione nei calcoli degli scienziati non è un grosso problema nello schema delle cose. Ma se la costante di Planck fosse un numero significativamente maggiore o minore, "tutto il mondo intorno a noi sarebbe completamente diverso, " spiega Martin Fraas, un assistente professore di matematica al Virginia Tech, per e-mail. Se il valore della costante è stato aumentato, Per esempio, gli atomi stabili potrebbero essere molte volte più grandi delle stelle.
La dimensione di un chilogrammo, entrata in vigore il 20 maggio, 2019, come concordato dall'International Bureau of Weights and Measures (il cui acronimo francese è BIPM) si basa ora sulla costante di Planck.
Ora è interessanteCome spiega questo tweet del NIST, gli autori di "Stranger Things" hanno fatto un errore e hanno utilizzato il valore del 2014 per la costante di Planck, piuttosto che quello che sarebbe stato disponibile nell'estate del 1985, quando l'episodio è stato ambientato. Fraas di Virginia Tech spiega tutto in questo video.
