Planck Sabiti Nedir ve Evren Neden Ona Bağlıdır?

    Netflix dizisi Stranger Things'in hayranıysanız, Dustin'in uzun mesafeli zeki kız arkadaşı Suzie'yi amatör bir radyo bağlantısı üzerinden ikna etmeye çalıştığı iklimsel sezon üç sahnesini görmüşsünüzdür. Planck sabiti denen bir şey, bu aynı zamanda kötü niyetli bir alternatif evrenin kapısını kapatmak için gereken anahtarları içeren bir kasayı açmanın kodudur.

    Ancak Suzie sihirli sayıyı söylemeden önce yüksek bir bedel talep eder: Dustin, "The NeverEnding Story" filminin tema şarkısını söylemek zorundadır .

Bütün bunlar sizi merak etmeye yöneltmiş olabilir: Her neyse, Planck sabiti tam olarak nedir?

    1900 yılında , çalışmaları için 1918 Nobel Ödülü'nü kazanacak olan Max Planck adlı bir Alman fizikçi tarafından tasarlanan sabit , maddeyi ve kuvvetleri oluşturan küçük parçacıklarla ilgilenen fizik dalı olan kuantum mekaniğinin çok önemli bir parçasıdır. etkileşimlerine katılırlar. Bilgisayar çipleri ve güneş panellerinden lazerlere kadar, " her şeyin nasıl çalıştığını açıklayan fiziktir ."

Ultrasmall'in Görünmez Dünyası

    1800'lerin sonlarında ve 1900'lerin başlarında Planck ve diğer fizikçiler, klasik mekanik - yani, 1600'lerin sonlarında Sir Isaac Newton tarafından tanımlanan, çevremizdeki gözlemlenebilir dünyadaki cisimlerin hareketi - ile görünmez bir dünya arasındaki farkı anlamaya çalışıyorlardı. enerjinin bazı yönlerden bir dalga gibi ve bazı yönlerden bir parçacık gibi davrandığı, foton olarak da bilinen ultra küçük .

    Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nde fizikçi olan Stephan Schlamminger e-posta ile "Kuantum mekaniğinde fizik, makroskopik dünyadaki deneyimlerimizden farklı çalışıyor" diye açıklıyor . Açıklama olarak, salıncak setindeki bir çocuk olan tanıdık bir harmonik osilatör örneğini veriyor .

    Schlamminger, "Klasik mekanikte, çocuk salıncak yolunda herhangi bir genlikte (yükseklikte) olabilir" diyor. "Sistemin sahip olduğu enerji, genliğin karesi ile orantılıdır. Bu nedenle, çocuk sıfırdan belirli bir noktaya kadar herhangi bir sürekli enerji aralığında sallanabilir."

    Ama kuantum mekaniği düzeyine indiğinizde işler farklı davranır. Schlamminger, "Bir osilatörün sahip olabileceği enerji miktarı, bir merdivendeki basamaklar gibi ayrıktır" diyor. "Enerji seviyeleri h çarpı f ile ayrılır, burada f fotonun frekansıdır - bir ışık parçacığı - bir elektron bir enerji seviyesinden diğerine gitmek için salıverir veya emer."

    Bu 2016 videosunda, başka bir NIST fizikçisi Darine El Haddad , Planck'ın sabitini kahveye şeker koyma metaforunu kullanarak açıklıyor. "Klasik mekanikte enerji süreklidir, yani şeker makinemi alırsam kahveme istediğim miktarda şeker koyabilirim" diyor. "Herhangi bir miktarda enerji tamam."

    "Ama Max Planck daha derine baktığında çok farklı bir şey buldu," diye açıklıyor videoda. "Enerji nicelleştirilmiş veya kesikli, yani yalnızca bir veya iki veya üç küp şeker ekleyebiliyorum. Sadece belirli bir miktarda enerjiye izin verilir."

Planck sabiti, bir fotonun içinde hareket ettiği dalganın frekansına göre taşıyabileceği enerji miktarını tanımlar.

    New Mexico'daki bağımsız bir araştırma merkezi olan Santa Fe Enstitüsü'nde harici bir profesör olan Fred Cooper , e-posta yoluyla elektromanyetik radyasyon ve temel parçacıkların "hem parçacık hem de dalga özelliklerini özünde gösterdiğini" açıklıyor . "Bu varlıkların bu iki yönünü birbirine bağlayan temel sabit, Planck sabitidir. Elektromanyetik enerji sürekli olarak aktarılamaz, ancak enerjisi E, E = h f ile verilen ayrık ışık fotonları tarafından aktarılır, burada h, Planck'ın sabitidir ve f'dir. ışığın frekansı."

Biraz Değişen Bir Sabit

    Planck sabiti hakkında bilim adamı olmayanlar için kafa karıştırıcı şeylerden biri, ona atanan değerin zaman içinde çok küçük miktarlarda değişmesidir. 1985'te kabul edilen değer h = 6.626176 x 10 -34 Joule-saniye idi . 2018 yılında yapılan mevcut hesaplama h = 6.62607015 x 10 -34 Joule-saniyedir.

    Schlamminger, "Bu temel sabitler evrenin dokusunda sabitlenmiş olsa da, biz insanlar bunların kesin değerlerini bilmiyoruz" diye açıklıyor. "Bu temel sabitleri insanlığın yapabileceği en iyi şekilde ölçmek için deneyler yapmalıyız. Bilgimiz, Planck sabiti için ortalama bir değer üretmek üzere ortalaması alınan birkaç deneyden geliyor."

    Planck sabitini ölçmek için bilim adamları iki farklı deney kullandılar:  Kibble dengesi ve X-ışını kristal yoğunluğu (XRCD) yöntemive zamanla, daha kesin bir sayının nasıl elde edileceğine dair daha iyi bir anlayış geliştirdiler. Schlamminger, "Yeni bir sayı yayınlandığında, deneyciler ölçümlerindeki en iyi belirsizliğin hesaplanmasının yanı sıra en iyi sayılarını da ortaya koydular" diyor. "Sabitin gerçek, ancak bilinmeyen değeri, umarım, belirli bir istatistiksel olasılıkla, yayınlanan sayının etrafındaki artı/eksi belirsizlik aralığında olmalıdır." Bu noktada, "gerçek değerin çok uzak olmadığından eminiz. Kibble dengesi ve XRCD yöntemi o kadar farklı ki, her iki yolun da şans eseri bu kadar iyi uyuşması büyük bir tesadüf olurdu."

    Bilim adamlarının hesaplarındaki bu küçük kesinlik, şeylerin şemasında büyük bir sorun değil. Ancak Planck sabiti önemli ölçüde daha büyük veya daha küçük bir sayı olsaydı, "çevremizdeki tüm dünya tamamen farklı olurdu" diye açıklıyor Virginia Tech'de matematik alanında yardımcı doçent olan Martin Fraas e-postayla. Sabitin değeri artırılırsa, örneğin, kararlı atomlar yıldızlardan çok daha büyük olabilir .

    Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Bürosu (Fransızca kısaltması BIPM olan) tarafından kararlaştırıldığı üzere 20 Mayıs 2019'da yürürlüğe giren bir kilogramın boyutu artık Planck sabitine dayanmaktadır .