La constante de Planck a été conçue en 1900 par le physicien allemand Dr. Max Planck, qui remportera le prix Nobel de 1918 pour son travail. La constante est une partie cruciale de la mécanique quantique, la branche de la physique traitant des minuscules particules qui composent la matière et des forces impliquées dans leurs interactions. Bibliothèque du Congrès Si vous êtes fan de la série Netflix "Stranger Things, " vous avez vu la scène de la saison climatique trois, dans lequel Dustin essaie de cajoler sa petite amie intelligente à longue distance Suzie via une connexion radioamateur pour lui dire la valeur précise de quelque chose appelé la constante de Planck, qui se trouve également être le code pour ouvrir un coffre-fort contenant les clés nécessaires pour fermer la porte d'un univers alternatif malveillant.
Mais avant que Suzie ne récite le nombre magique, elle exige un prix élevé :Dustin doit chanter la chanson thème du film "The NeverEnding Story".
Tout cela vous a peut-être amené à vous demander :quelle est exactement la constante de Planck, De toute façon?
La constante — conçue en 1900 par un physicien allemand nommé Max Planck, qui remportera le prix Nobel de 1918 pour son travail - est un élément crucial de la mécanique quantique, la branche de la physique qui traite des minuscules particules qui composent la matière et des forces impliquées dans leurs interactions. Des puces informatiques et panneaux solaires aux lasers, "c'est la physique qui explique comment tout fonctionne."
Planck et d'autres physiciens de la fin des années 1800 et du début des années 1900 essayaient de comprendre la différence entre la mécanique classique, c'est-à-dire le mouvement des corps dans le monde observable qui nous entoure, décrit par Sir Isaac Newton à la fin des années 1600 - et un monde invisible de l'ultra-petit, où l'énergie se comporte d'une certaine manière comme une onde et d'une certaine manière comme une particule, également connu sous le nom de photon.
« En mécanique quantique, la physique fonctionne différemment de nos expériences dans le monde macroscopique, " explique Stephan Schlamminger, un physicien pour l'Institut national des normes et de la technologie, par email. A titre d'explication, il cite l'exemple d'un oscillateur harmonique familier, un enfant sur une balançoire.
« En mécanique classique, l'enfant peut être à n'importe quelle amplitude (hauteur) sur la trajectoire de la balançoire, " Schlamminger dit. " L'énergie que le système a est proportionnelle au carré de l'amplitude. D'où, l'enfant peut se balancer à n'importe quelle gamme continue d'énergies de zéro jusqu'à un certain point."
Mais quand vous descendez au niveau de la mécanique quantique, les choses se comportent différemment. "La quantité d'énergie que pourrait avoir un oscillateur est discrète, comme les barreaux d'une échelle, " Schlamminger dit. " Les niveaux d'énergie sont séparés par h fois f, où f est la fréquence du photon - une particule de lumière - qu'un électron libérerait ou absorberait pour passer d'un niveau d'énergie à un autre."
Dans cette vidéo de 2016, un autre physicien du NIST, Darine El Haddad, explique la constante de Planck en utilisant la métaphore de mettre du sucre dans le café. « En mécanique classique, l'énergie est continue, c'est-à-dire si je prends mon distributeur de sucre, Je peux verser n'importe quelle quantité de sucre dans mon café, " dit-elle. " N'importe quelle quantité d'énergie est acceptable. "
"Mais Max Planck a trouvé quelque chose de très différent quand il a regardé plus profondément, explique-t-elle dans la vidéo. "L'énergie est quantifiée, ou c'est discret, ce qui signifie que je ne peux ajouter qu'un morceau de sucre ou deux ou trois. Seule une certaine quantité d'énergie est autorisée."
La constante de Planck définit la quantité d'énergie qu'un photon peut transporter, en fonction de la fréquence de l'onde dans laquelle elle se déplace.
Le rayonnement électromagnétique et les particules élémentaires « présentent intrinsèquement à la fois des propriétés particulaires et ondulatoires, " explique Fred Cooper, un professeur externe au Santa Fe Institute, un centre de recherche indépendant au Nouveau-Mexique, par email. "La constante fondamentale qui relie ces deux aspects de ces entités est la constante de Planck. L'énergie électromagnétique ne peut pas être transférée en continu mais est transférée par des photons discrets de lumière dont l'énergie E est donnée par E = h F, où h est la constante de Planck, et f est la fréquence de la lumière."
L'une des choses déroutantes pour les non-scientifiques à propos de la constante de Planck est que la valeur qui lui est attribuée a changé de petites quantités au fil du temps. En 1985, la valeur acceptée était h =6,626176 x 10 -34 Joule-secondes. Le calcul actuel, fait en 2018, est h =6,62607015 x 10 -34 Joule-secondes.
"Alors que ces constantes fondamentales sont fixées dans le tissu de l'univers, nous, les humains, ne connaissons pas leurs valeurs exactes, " explique Schlamminger. " Nous devons construire des expériences pour mesurer ces constantes fondamentales au mieux des capacités de l'humanité. Nos connaissances proviennent de quelques expériences qui ont été moyennées pour produire une valeur moyenne pour la constante de Planck."
Pour mesurer la constante de Planck, les scientifiques ont utilisé deux expériences différentes - la balance Kibble et la méthode de densité cristalline aux rayons X (XRCD), et au fil du temps, ils ont développé une meilleure compréhension de la façon d'obtenir un nombre plus précis. « Lorsqu'un nouveau numéro est publié, les expérimentateurs mettent en avant leur meilleur nombre ainsi que leur meilleur calcul de l'incertitude de leur mesure, " dit Schlamminger. " Le vrai, mais valeur inconnue de la constante, devrait, espérons-le, se situer dans l'intervalle de plus/moins l'incertitude autour du nombre publié, avec une certaine probabilité statistique. » À ce stade, "nous sommes convaincus que la vraie valeur n'est pas loin. La balance Kibble et la méthode XRCD sont si différentes que ce serait une coïncidence majeure que les deux sens s'accordent si bien par hasard."
Cette petite imprécision dans les calculs des scientifiques n'est pas un gros problème dans l'ordre des choses. Mais si la constante de Planck était un nombre significativement plus grand ou plus petit, "tout le monde autour de nous serait complètement différent, " explique Martin Fraas, professeur assistant en mathématiques à Virginia Tech, par email. Si la valeur de la constante a été augmentée, par exemple, les atomes stables pourraient être plusieurs fois plus gros que les étoiles.
La taille d'un kilogramme, entrée en vigueur le 20 mai 2019, comme convenu par le Bureau international des poids et mesures (dont l'acronyme français est BIPM) est maintenant basé sur la constante de Planck.
Maintenant c'est intéressantComme l'explique ce tweet du NIST, les auteurs de "Stranger Things" ont glissé et ont utilisé la valeur de 2014 pour la constante de Planck, plutôt que celui qui aurait été disponible à l'été 1985, quand l'épisode a été fixé. Fraas de Virginia Tech explique tout dans cette vidéo.
