什么是普朗克常数？为什么宇宙都要依赖它？

如果你是网飞系列“奇怪物语”的粉丝，你应该看过《气候》第三季的场景，在这个场景中，达斯汀试图通过业余无线电联系哄骗他聪明的异地恋女友苏西，告诉他一个叫普朗克常数的东西的精确值，这也是打开一个保险箱的密码，里面有关闭邪恶的另一个宇宙大门所需的钥匙。

但是在苏西背诵这个神奇的数字之前，她要求一个很高的价格:达斯汀必须为电影《永无止境的故事》唱主题曲。

这可能会让你想知道:到底什么是普朗克常数?

这个常数是由德国物理学家马克斯·普朗克于1900年发明的，并因此获得1918年的诺贝尔奖。它是量子力学的一个重要组成部分，量子力学是研究组成物质的微小粒子及其相互作用中所涉及的力的物理学分支。从计算机芯片、太阳能电池板到激光器，“物理学解释了一切的工作原理。”

看不见的微小世界

在19世纪末和20世纪初，普朗克和其他物理学家试图理解经典力学(即牛顿在17世纪末描述的我们周围可观测世界中的物体运动)和一个不可见的超微观世界(在那里，能量在某些方面像波，在某些方面像粒子，也被称为光子)之间的区别。

“在量子力学中，物理学的工作方式与我们在宏观世界中的体验不同，”物理学家斯蒂芬·施拉姆明格(Stephan Schlamminger)解释道。作为解释，他引用了一个熟悉的谐振子的例子，一个孩子在秋千上。

“在经典力学中，孩子可以在秋千路径上的任何振幅(高度)，”Schlamminger说。“系统的能量与振幅的平方成正比。因此，这个孩子可以在从零到某一点的任何连续的能量范围内摆动。”

但当你深入到量子力学的层面时，情况就不同了。Schlamminger说：“振荡器所能拥有的能量是分立的，就像梯子上的阶梯一样。”“电子从一个能级进入另一个能级时会释放或吸收光子。”

另一位物理学家达林·艾尔·哈达德(Darine El Haddad)用往咖啡里放糖的比喻解释了普朗克常数。“在经典力学中，能量是连续的，这意味着如果我拿着我的糖罐，我可以在我的咖啡中倒入任何数量的糖，”她说。“任何数量的能量都可以。”

但马克斯·普朗克深入研究后发现了一些非常不同的东西。“能量是量子化的，或者是离散的，这意味着我只能添加一个或两个或三个方糖。只有一定数量的能量是允许的。”

普朗克常数根据光子传播的波的频率定义了光子所能携带的能量。

物理学家弗雷德·库珀解释说，电磁辐射和基本粒子“本质上显示了粒子和波的特性”。“连接这两个实体的基本常数是普朗克常数。电磁能量不能连续传递而是通过光的离散光子传递能量E（能量）由E = hf给出，其中h是普朗克常数，f是光的频率。

一个略微变化的常数

普朗克常数让非科学家感到困惑的一点是，赋予它的值随着时间的推移发生了微小的变化。回到1985年，公认的值是h = 6.626176 x 10-34焦耳秒。目前的计算是在2018年完成的，h = 6.62607015 x 10-34焦耳秒。

施拉姆明格解释说:“虽然这些基本常数在宇宙的结构中是固定的，但我们人类并不知道它们的确切值。”“我们必须建立实验，以最大限度地发挥人类的能力来测量这些基本常数。我们的知识来自于一些实验，这些实验得到了普朗克常数的平均值。”

为了测量普朗克常数，科学家们使用了两种不同的实验——Kibble平衡和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数字有了更好的理解。“当一个新的数字公布时，实验者提出他们最好的数字，以及他们对测量不确定度的最佳计算，”施拉明格说。“我们有信心，真正的普朗克常数值已经不远了。Kibble平衡法和XRCD方法如此不同，但这两种方法的检测结果如此一致，这绝不仅仅是一个巧合。”

科学家计算中微小的不精确在事情的计划中并不是什么大问题。但是，如果普朗克常数是一个明显更大或更小的数字，“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(Martin Fraas)解释道。例如，如果常数的值增加，稳定的原子可能比恒星大很多倍。

根据国际度量衡局(其法语首字母缩写为BIPM)的协议，2019年5月20日生效的质量单位 Kg 的值现在是基于普朗克常数得来的。