普朗克常數是什麼?為什麼宇宙要依賴它?

2020-12-04 科學源點

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。

相關焦點

  • 普朗克常數與一系列普朗克常量分別是什麼?它們支配著這個世界!
    要說普朗克常數就首先要說普朗克這個人,普朗克可以說是量子力學之父,於1918年獲得諾貝爾物理學獎,和愛因斯坦並稱為20世紀最重要的兩位物理學家。他是最先提出能量子這個概念的物理學大牛,在「紫外災難」中,普朗克利用量子力學的思想完美地解決了「黑體輻射」的問題,提出了普朗克輻射定律。
  • 揭示宇宙奧秘的13個常數(八)---普朗克常數
    他們理論分析的成果同樣也是一個關於I(v,T)的表達式,但與維恩通過實驗得出的公式大不相同。在瑞利-金斯定律中,I(v,T)=(2k/c2)v2T,其中k為波爾茲曼常數、c為光速。這一公式相較於維恩公式具有顯著的優勢:首先,公式中的常數都是已知的物理學常數,而非實驗得出的數據;其次,該公式相比維恩的公式更符合實驗測得的紅光強度曲線。不過,它也有一個重大的劣勢,那就是它是明顯錯誤的。
  • 和普朗克常數無關的量子效應
    而且由於普朗克常數很小,h=6.62607004 × 10-34 m2 kg / s,我們可以很容易理解為什麼在日常生活中我們無法直接感受到量子效應。 例如,我們平常同樣覺得水是連續的,感覺不到 單個水分子的存在,那是因為水分子直徑不到3x10-10米。如果有魔法能讓普朗克常數變大1000倍而其他東⻄都不變,水分子就會和沙粒差不多大小。
  • 宇宙精細結構常數是什麼?為什麼它很重要?
    旋轉,接近光速的移動以及滲透宇宙的量子場的固有波動性質的影響都是物質展現的精細結構的原因。為什麼我們的宇宙是這樣的,而不是其他方式?只有三件事情如此:自然規律本身,現實的基本常數,以及宇宙誕生的初始條件。如果基本常數具有顯著不同的值,則不可能形成甚至簡單的結構,如原子,分子,行星或恆星。
  • 【科普向】什麼是普朗克常數?
    根據熱力學中的細緻平衡原理,這種熱輻射與環境電磁場的平衡在每一個波段上都成立,因此存在一個電磁波譜,它表徵了某一溫度下熱平衡體系的電磁輻射強度隨波長(頻率)的函數關係。我們把這種對電磁波完全吸收的材料叫做「黑體」,因而這種給定溫度下的環境電磁波譜叫做「黑體輻射譜」。就是在對黑體輻射譜的理論研究中,普朗克發現了電磁波的量子現象,提出了普朗克常數。
  • 普朗克常數
    我們都說量子力學是描述微觀世界結構、運動與變化規律的物理科學。它是20世紀人類文明發展的一個重大飛躍。德國著名詩人席勒曾說:「我們不知道20世紀會怎樣或者它會有什麼成就,但它之前的每個時代都致力於造就20世紀。」那麼,在這其中普朗克假設是怎樣的呢?我們需要了解一個物理常量。
  • 量子力學的核心,普朗克常數
    普朗克常數定義了我們宏觀實在物理學的尺寸級別,指引了通向奇異量子世界之路。而且微觀世界的量子表現能在宇宙的各種尺度觀測到。實際上,只需要測量陽光的顏色,就能觀測到這種量子表現的效果。甚至還能藉此測量普朗克常數。
  • 如果普朗克常數可以變化,世界將變成什麼樣子?細思極恐!
    普朗克常數是通過「黑體輻射」實驗發現的。它意味著任何能量的吸收與釋放都具有一個最小值,小於這個數值的能量不存在,這也意味著我們的世界是不連續的,而連續的世界反而是一種假象。再小會怎麼樣?這是一個物理學暫時無法回答的問題,但如果說存在另一個世界,它的普朗克常量比我們這個世界還小,或者更大的話,這個問題就十分有趣了。
  • 物體熱輻射的規律,普朗克常數,普朗克常數
    物體熱輻射的規律,普朗克常數,普朗克常數
  • 13個宇宙常數
    由於一些尚不明確的原因,宇宙的基本特性可以用數字或常數來表達,美國加利福尼亞州立大學數學教授詹姆士·斯坦因介紹了13個宇宙常數,包括萬有引力常數、光速、絕對零度、哈勃常數、普朗克常數等。他參考了天文學家馬丁·裡斯關於同一主題的著作《只需六個數》,裡斯說,有6個數的值必須恰到好處,如果其中任何一個出現「失調」,那就不可能有星體和生命。
  • 為什麼修正哈勃常數可以改變我們對宇宙的看法?
    大約在138億年前,它眨眼間就存在了,並且從那時起就一直在膨脹,就像一個巨大的宇宙氣球。這種膨脹的速度被稱為哈勃常數(或稱H0),它是宇宙的基本常數之一。我們有幾種高度精確的方法來確定哈勃常數,而這些方法有不同的結果,原因不明。這可能是我們測量技術的校準問題,可能是暗能量的一些未知屬性,也可能是我們對基礎物理學的理解不完整造成的。要解決這個問題,很可能需要獲得諾貝爾獎的那種突破。哈勃常數是什麼?哈勃常數通常用一種看似不尋常的距離和時間單位組合來表示。
  • 究竟什麼是哈勃常數?它帶來哪些影響
    這就是為什麼最近對宇宙膨脹的測量引起了人們的興趣。儘管天文學家已經採用了多種方法來依賴完全不同的物理學,但他們仍得到類似的結果:今天的宇宙似乎比根據早期宇宙的測量所預期的更快地膨脹。系統錯誤可以解釋這種差異嗎?還是需要新的物理學?發布了一種新的「中間路線」測量方法,這為正在進行的辯論增添了一些色彩。
  • 探索宇宙中的極限——普朗克尺度
    僅用自然界中的五個常數(包括光速和引力常數),你,我,甚至是來自半人馬座阿爾法星的外星人都可以得到相同的普朗克單位。最基本的普朗克單位分別為長度、質量、溫度、時間和電荷。小對話框裡顯示的是普朗克長度、普朗克時間及普朗克質量的定義。定義普朗克溫度和電荷需要庫倫常數和波茲曼常數。
  • 普朗克常數改寫「公斤」定義
    多年來,測量的定義——安培(ampere)、燭光(candela)、克耳文(kelvin)、公斤(kilogram)、公尺(meter)、莫耳(mole)以及秒(second)——都已經過重新定義,因而都是以自然發生的現象為為基礎,例如普朗克常數(Planck’s Constant)等。基於實物定義的最後一個SI單位——公斤,最近終於也重新定義了。
  • 不愛套路的宇宙精靈:普朗克量子常數
    但黑體看起來並不總是「黑」的,它的顏色取決於它的溫度。人們從日常生活經驗中能夠知道,如果你把撥火棍插入火爐中,它的顏色將會隨著溫度的變化而變化:溫度逐漸升高後,它會變成暗紅色,然後是更明亮的紅色,然後是亮眼的金黃色,再後來還可能呈現出藍白色。
  • 普朗克常數簡史
    但是,如果我們把它扔到火爐中燃燒,它將開始發出紅色光。這是因為當煤炭溫度上升時,它輻射的平均波長減少,最終進入我們的眼睛能看到的範圍。這個規則是,物體越熱,它發出的光的波長越短。隨著19世紀實驗測量精度的改進,很明顯,沒有正確的數學公式來描述這一觀察現象。這個問題通常被稱為「黑體問題」,因為物理學家將完全吸收,然後又重新發出輻射的理想物體叫做「黑體」。
  • 為什麼我們宇宙的光速是299,792,458米/秒,而不是別的什麼數?
    很多人把你的問題當成是為什麼這個數字如此特殊。我認為你的意思是「為什麼我們宇宙中的基本常數如此精確」。的確,這是一個非常深奧的問題。我們知道,如果質子的質量,電子的電荷,或宇宙中任何常數的數量,以每一百億分之一單位變化,宇宙將會亂成一鍋粥,永遠不會形成星系,恆星,行星等物質。
  • 普朗克長度是什麼?為什麼它是空間的最小單位,而不可再分?
    或許你此時在想著應該吃什麼飯,怎麼賺錢。但是飯菜,金錢這些東西無非就是物質,你能感受到這些物體的存在以及它們的性質,要得益於五大感官。如果沒有眼,鼻,耳,膚,舌等感官,那麼你的大腦就沒有外來信息的攝入,於是意識就是一片空白,也就無法認識世界。我們人類一開始靠五大感官直接認識世界,而感官有很大的局限性,比如我們看不到銀河系外,也看不見細胞以下的世界。
  • 量子序曲之普朗克常數
    ),並欣賞它,但是否能深入並進而有所造詣,則要看個人的天賦、勤奮和是否準備在這個領域投入「十萬小時」了,這裡並無太多捷徑,每個人都會有屬於自己的十年創造力的高峰,至於是否會創造出屬於自己的奇蹟,也許並不重要。
  • 如何使用樂高測量普朗克常數?
    IEEE微信公眾號全面升級了!