Ликбез RnD.CNews: что такое постоянная Планка и почему от нее зависит Вселенная

Постоянная Планка определяет границу между классической физикой и квантовой. Если некая величина, свойственная любой физической системе, больше этой константы, то ко всей системе применимы законы макромира, а если намного меньше — то квантовые законы.

Планк и другие физики в конце 1800-х - начале 1900-х годов пытались понять разницу между классической механикой, то есть движением тел в наблюдаемом мире вокруг нас, описанным Исааком Ньютоном в конце 1600-х годов, и невидимым микромиром, где энергия отчасти ведет себя как волна, а отчасти — как частица, также известная как фотон.

Планк пытался объяснить спектр излучения абсолютно черного тела и выдвинул теорию, что свет излучается порциями. Квант — количество энергии в порции — переносит энергию, пропорциональную частоте волны, ограниченную коэффициентом (постоянной Планка).

В квантовой механике физика работает иначе, чем в привычном макромире. Возьмем пример всем знакомого гармонического осциллятора — ребенка на качелях. В классической механике ребенок может раскачиваться на траектории качелей с любой амплитудой (высотой). Энергия, которой обладает система, пропорциональна квадрату амплитуды. Следовательно, ребенок может качаться в любом непрерывном диапазоне энергий от нуля до определенной точки.

Но когда вы переходите на уровень квантовой механики, все иначе. Количество энергии, которое может иметь осциллятор, дискретно, как ступеньки на лестнице. Уровни энергии ограничены постоянной Планка h, умноженной на ν, где ν — частота света, который электрон высвобождает или поглощает, чтобы перейти с одного энергетического уровня на другой.

Или возьмем добавление сахара в кофе. В классической механике энергия непрерывна, а это означает, что из сахарницы вы можете насыпать любое количество сахара в свой кофе. Но в квантовом мире энергия дискретна, то есть вы можете добавить только одну ложку сахара или две, или три. Разрешено только определенное количество энергии, ограниченное коэффициентом — постоянной Планка.

Таким образом, энергия кванта передается дискретными порциями, энергия которых E определяется выражением:

E = hv, 

где h — постоянная Планка, 

v — частота света.

Постоянная Планка невероятно важна для описания квантования энергетических уровней, взаимодействия межд частицами и всех возможных исходов событий в микромире. А также именно постоянная Планка позволяет нам оценить, применима ли к той или иной системе классическая физика. 

Постоянная Планка не постоянна

С толку может сбивать тот факт, что присвоенное постоянной Планка значение со временем изменилось, хоть и незначительно. Еще в 1985 году принято значение 6,626176 x 10 -34 (Дж·с). А последнее значение, принятое в 2018 году, составляет 6,62607015 x 10 -34 (Дж·с).

Хотя эти фундаментальные константы зафиксированы в структуре Вселенной, мы, люди, не знаем их точных значений. Поэтому физики проводят эксперименты для измерения этих фундаментальных констант в меру возможностей человечества. Как правило, значение постоянной Планка рассчитывается из большого количества экспериментов и ученые получают среднее значение константы. 

Так, чтобы измерить постоянную Планка, в период с 2015 по 2017 годы, физики провели более 10 тысяч экспериментов с весами Киббла (ватт-весами). Размер килограмма, который приняли 20 мая 2019 года в Международном бюро мер и весов, в настоящее время тоже базируется на постоянной Планка.

Небольшая неточность в расчетах ученых не имеет важного значения для схемы вещей. Но если бы постоянная Планка была значительно большим или меньшим числом, весь мир вокруг нас был бы совершенно другим. Если, например, увеличить значение константы, стабильные атомы могут быть во много раз больше звезд.