普朗克常數幾乎是所有學過物理的人所知道的,可以說是常識。德國物理學家馬克斯·普朗克於1900年計算得出該常數,這使得他獲得了1918年的諾貝爾獎。這一常數改變了遊戲規則,其通過描述物質的最細微部分如何在稱為量子的離散束中釋放能量,從而將「量子」本質上置於量子力學中。
超小型的無形世界
在19世紀末期到20世紀初期,普朗克和其他物理學家試圖理解經典力學之間的區別,即牛頓描述的我們周圍可觀察世界中物體的運動與超小型的無形世界,它們的能量在某種程度上像波,在某些方面像粒子,也稱為光子。
在量子力學中,物理學不同於我們在宏觀世界中所認識的那樣,例如:諧波振蕩器與蕩鞦韆之間關係的的例子。在經典力學中,鞦韆可以在路徑中處於任意幅度(高度),所擁有的能量與振幅的平方成正比,因此,鞦韆可以從零到某個點的任何連續能量範圍內擺動。但是當達到量子力學的水平時,事情變得就會有所不同,振蕩器可能具有的能量是離散的,就像梯子上的梯級一樣。
更加形象的例子就比如在咖啡中加糖。在經典力學中,能量是連續的,這意味著如果我帶糖水分配器,就可以在咖啡中倒入任何數量的糖。但是當普朗克深入研究時,發現了完全不同的東西,能量是量化的,或者是離散的,這意味著我只能添加一個或兩個或三個方糖。
普朗克根據光子傳播的頻率來定義光子可以攜帶的能量。電磁輻射和基本粒子本質上同時顯示了粒子和波的性質,連接這兩個方面的基本常數是普朗克常數。電磁能量不能連續傳遞,而是由離散的光子傳遞,其能量由E = hf給出,其中h是普朗克常數,f是光的頻率。電子吸收或者釋放能量實現能級的躍遷。
稍微變化的常數
關於普朗克常數的困惑之一是,隨著時間的推移,它的測量值會發生了微小的變化。早在1985年,h = 6.626176 x 10^-34焦耳秒,現在最新值為h = 6.62607015 x 10^-34焦耳秒。雖然這一常數固定在宇宙的結構中,但我們人類並不知道它們的確切值。我們必須建立實驗來測量這一常數以達到最佳,因為我們的知識來自於和其值有關的實驗。當一個新的數字發布時,該常數的真實但未知的值應該在具有一定統計概率的正負區間內,即不確定的範圍內。在科學家的計算中,這種微小的不精確性對其他事物並不重要。
但是,如果普朗克的常數明顯更大或更小,那麼我們周圍的世界將完全不同。如果增加常數的值,約10 ^ 14,會發生什麼?一方面,得懷疑宇宙中是否會有原子?電離氫所需的能量取決於h ^ -2,因此,如果我們將h增加10 ^ 14,那麼氫的電離能將減少10 ^ -28 ,與使電子脫離原子所需的當前能量相比,這將是微不足道的。因此,只要激發原子一點,它就會電離。同樣,即使有一些穩定的原子,它們也將是巨大的。原子的半逕取決於h ^ 2,因此,原子將從0.53 x 10 ^ -10米(太小看不見)變為0.53 x 10 ^ 18米,那是到最近恆星距離的100倍!如果h過小,那麼太陽將無法成為一顆恆星,地球上永遠不會出現生命,人類也不會出現在地球之上。當然這個影響不只是太陽系,而是全宇宙,宇宙中的恆星都會隨著h的減小而大量減少,更甚者宇宙還未誕生,不知道得等多久才會大爆炸。小小h卻蘊含如此大的能量。
現在看來,作為能量的最小單位,這一數字,不大不小,多麼的適合宇宙,我們是何其的幸運。