《怪奇物语》中的普朗克常数：科学的幕后故事
[图片：普朗克常量是多少]
如果你热衷于 Netflix 剧集《怪奇物语》，一定记得第三季中达斯汀通过业余无线电哄骗他的聪明异地恋女友苏西告诉他“普朗克常数”的场景。这个常数是打开保险箱的密码，里面藏着关闭邪恶平行宇宙大门的钥匙。
普朗克常数的发现
德国物理学家马克斯·普朗克于 1900 年提出了普朗克常数的概念，并因此获得了 1918 年的诺贝尔奖。它是量子力学的基石，这是一门研究物质基本组成粒子及其相互作用中所涉及力学的物理学分支。普朗克将这个常数定义为连接能量和电磁辐射频率的基本关系单位，它深刻改变了我们对物理世界本质的理解。
经典力学与量子力学
在 19 世纪末和 20 世纪初，普朗克和其他物理学家试图弥合理论经典力学与我们对微观世界的观测之间的差距。经典力学描述了牛顿定律支配的可观测世界中的物体运动，而量子力学则揭示了一个不可见的超微观世界，其中能量以波粒二象性的形式存在。
量子世界的离散性
“在量子力学中，物理规律的运作方式与我们日常体验明显不同，”物理学家斯特凡·施拉明格解释道。他以秋千上的孩子为例来进行说明。
“在经典力学中，孩子可以在秋千上达到任意振幅（高度），”施拉明格说。“系统的能量与振幅的平方成正比。孩子可以摆动到从零到任何连续能量范围内。”
在量子力学的尺度上，情况发生了变化。“谐振器所能具有的能量是离散的，就像楼梯上的台阶，”施拉明格说。“电子在不同的能级之间跃迁时会释放或吸收光子。”
普朗克常数在量子世界中
另一位物理学家达琳·埃尔·哈达德使用往咖啡中加糖的类比来解释普朗克常数。“在经典力学中，能量是连续的，这意味着我可以从我的罐子里向咖啡中加入任意量的糖，”她说。“这允许任何能量值”。
“但马克斯·普朗克发现了一种非常不同的东西。”埃尔·哈达德说。“能量是量子化的，这意味着我可以添加一个、两个或三个方糖。只有有限数量的能量被允许。”
普朗克常数基于光波频率，定义了光子可以携带的能量。物理学家弗雷德·库珀解释说，电磁辐射和基本粒子“从本质上都表现出粒子和波的特性”。“连接这两个实体的基本常数是普朗克常数。电磁能不是连续传递的，而是通过光子的离散传递，能量E（能量）由 E = hf 给出，其中 h 是普朗克常数，f 是光的频率。
普朗克常数的不确定性
让非科学家感到困惑的一点是，普朗克常数的值随着时间的推移略有变化。回到 1985 年，公认的值是 h = 6.626176 x 10^-34 焦耳·秒。当前计算完成于 2018 年，h = 6.62607015 x 10^-34 焦耳·秒。
“虽然这些基本常数在宇宙结构中是固定的，但我们人类尚不清楚它们的准确值，”施拉明格解释道。“我们必须设计实验，以最大限度地发挥我们测量这些基本常数的能力。我们的知识来自一些实验，这些实验给出了普朗克常数的平均值。”
测量普朗克常数
为了测量普朗克常数，科学家使用了两种不同的实验 – 基布尔天平和 X 射线晶体密度（XRCD）方法。随着时间的推移，他们对如何获得更精确的值有了更好的理解。“当一个新数字公布时，实验者会提出他们最好的数字，以及他们对测量不确定性的最佳估计，”施拉明格说。“我们相信真正的普朗克常数值已经不远了。基布尔天平和 XRCD 方法是如此不同，但这两种方法的结果如此一致，这绝非巧合。”
普朗克常数的重要性
科学家计算中微小的不准确性在物理学中并不是什么大问题。如果普朗克常数的值明显更大或更小，“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·弗拉斯解释说。例如，如果常数值增加，稳定的原子可能会比恒星大好几倍。
根据国际计量局（BIPM）的协议，质量单位千克的值自 2019 年 5 月 20 日起生效，现在基于普朗克常数。