什麼是普朗克常數？為什麼宇宙都要依賴它？

如果你是網飛系列“奇怪物語”的粉絲，你應該看過《氣候》第三季的場景，在這個場景中，達斯汀試圖透過業餘無線電聯絡哄騙他聰明的異地戀女友蘇西，告訴他一個叫普朗克常數的東西的精確值，這也是開啟一個保險箱的密碼，裡面有關閉邪惡的另一個宇宙大門所需的鑰匙。

德國物理學家馬克斯·普朗克在1900年發明普朗克常數是，並因此獲得了1918年的諾貝爾獎

但是在蘇西背誦這個神奇的數字之前，她要求一個很高的價格：達斯汀必須為電影《永無止境的故事》唱主題曲。

這可能會讓你想知道：到底什麼是普朗克常數？

這個常數是由德國物理學家馬克斯·普朗克於1900年發明的，並因此獲得1918年的諾貝爾獎。它是量子力學的一個重要組成部分，量子力學是研究組成物質的微小粒子及其相互作用中所涉及的力的物理學分支。從計算機晶片、太陽能電池板到鐳射器，“物理學解釋了一切的工作原理。”

看不見的微小世界

在19世紀末和20世紀初，普朗克和其他物理學家試圖理解經典力學（即牛頓在17世紀末描述的我們周圍可觀測世界中的物體運動）和一個不可見的超微觀世界（在那裡，能量在某些方面像波，在某些方面像粒子，也被稱為光子）之間的區別。

“在量子力學中，物理學的工作方式與我們在宏觀世界中的體驗不同，”物理學家斯蒂芬·施拉姆明格（Stephan Schlamminger）解釋道。作為解釋，他引用了一個熟悉的諧振子的例子，一個孩子在鞦韆上。

“在經典力學中，孩子可以在鞦韆路徑上的任何振幅（高度），”Schlamminger說。“系統的能量與振幅的平方成正比。因此，這個孩子可以在從零到某一點的任何連續的能量範圍內擺動。”

但當你深入到量子力學的層面時，情況就不同了。Schlamminger說：“振盪器所能擁有的能量是分立的，就像梯子上的階梯一樣。”“電子從一個能級進入另一個能級時會釋放或吸收光子。”

另一位物理學家達林·艾爾·哈達德（Darine El Haddad）用往咖啡裡放糖的比喻解釋了普朗克常數。“在經典力學中，能量是連續的，這意味著如果我拿著我的糖罐，我可以在我的咖啡中倒入任何數量的糖，”她說。“任何數量的能量都可以。”

但馬克斯·普朗克深入研究後發現了一些非常不同的東西。“能量是量子化的，或者是離散的，這意味著我只能新增一個或兩個或三個方糖。只有一定數量的能量是允許的。”

普朗克常數根據光子傳播的波的頻率定義了光子所能攜帶的能量。

物理學家弗雷德·庫珀解釋說，電磁輻射和基本粒子“本質上顯示了粒子和波的特性”。“連線這兩個實體的基本常數是普朗克常數。電磁能量不能連續傳遞而是透過光的離散光子傳遞能量E（能量）由E = hf給出，其中h是普朗克常數，f是光的頻率。

一個略微變化的常數

普朗克常數讓非科學家感到困惑的一點是，賦予它的值隨著時間的推移發生了微小的變化。回到1985年，公認的值是h = 6。626176 x 10-34焦耳秒。目前的計算是在2018年完成的，h = 6。62607015 x 10-34焦耳秒。

施拉姆明格解釋說：“雖然這些基本常數在宇宙的結構中是固定的，但我們人類並不知道它們的確切值。”“我們必須建立實驗，以最大限度地發揮人類的能力來測量這些基本常數。我們的知識來自於一些實驗，這些實驗得到了普朗克常數的平均值。”

為了測量普朗克常數，科學家們使用了兩種不同的實驗——Kibble平衡和x射線晶體密度（XRCD）方法，隨著時間的推移，他們對如何獲得更精確的數字有了更好的理解。“當一個新的數字公佈時，實驗者提出他們最好的數字，以及他們對測量不確定度的最佳計算，”施拉明格說。“我們有信心，真正的普朗克常數值已經不遠了。Kibble平衡法和XRCD方法如此不同，但這兩種方法的檢測結果如此一致，這絕不僅僅是一個巧合。”

科學家計算中微小的不精確在事情的計劃中並不是什麼大問題。但是，如果普朗克常數是一個明顯更大或更小的數字，“我們周圍的世界將完全不同，”弗吉尼亞理工大學數學助理教授馬丁·弗拉斯（Martin Fraas）解釋道。例如，如果常數的值增加，穩定的原子可能比恆星大很多倍。

根據國際度量衡局（其法語首字母縮寫為BIPM）的協議，2019年5月20日生效的質量單位 Kg 的值現在是基於普朗克常數得來的。