Зачем нужна постоянная Планка?

Зачем нужна постоянная Планка? 1

Что такое постоянная Планка и для чего она используется

В современном представлении постоянная Планка — это мера, которая отделяет классическую физику от квантовой. Действительно, если некоторая величина, называемая действием и характеризующая любую физическую систему — квантовое поле или частицу, квант, — много больше, чем постоянная Планка, то система описывается классическими законами, а если много меньше, то квантовыми. 

Зачем нужна постоянная Планка? 2
фото: ПостНаука

Безусловно, при этом надо понимать, что при решении физической задачи следует делать оправданное приближение. Например, полет камня в принципе можно описывать и при помощи уравнений квантовой механики, но это будет неоправданное приближение, так как вероятность его отклонения от классической траектории отлична от нуля на такую величину, которую никогда не определит ни один прибор.Рекомендуем по этой теме:

В школе, когда я изучал физику, усвоил один урок: физика — это наука, которая определяет связи или имеет дело с величинами, которые можно измерить в секундах, килограммах и метрах. Чтобы описать физическое явление, необходимо задать единицу измерения времени, то есть, например, период колебания какого-то хронометра, который измеряет либо секунды, либо, скажем, период колебания молекул; задать единицу измерения массы — это может быть эталон килограмма или масса какого-нибудь атома или элементарной частицы; и эталон длины — длина волны фотона, например, либо метр. Что выбрать в качестве эталонов, определяется удобством при решении конкретной задачи.

Но оказывается, что существуют три фундаментальных величины, с которыми имеет дело современная фундаментальная физика: это постоянная Планка, скорость света и гравитационная постоянная Ньютона. Из этих постоянных можно составить величины, которые имеют размерности секунды, килограмма и метра. Последние и называются планковскими единицами. Планковские единицы и есть естественные (природные) единицы, в которых можно измерить соответствующие величины. Другое дело, что они не всегда удобны в применении в повседневной жизни, так как, например, планковская длина — это 1,6 · 10−35 метра.

Постоянная Планка возникла как коэффициент пропорциональности между энергией кванта и его частотой. Это та самая h в формуле Планка E=hv, равная 1,054 · 10−27 эрг·с. Сначала Макс Планк написал формулу, которая описывает так называемое распределение энергии излучения абсолютно черного тела, то есть с какой частотой какое количество энергии излучается. А потом, чтобы объяснить эту формулу, ему пришлось ввести понятие кванта — порции энергии. Именно Планк предположил, что свет излучается порциями, квантами, а не непрерывно. 

Другой пример — явление фотоэффекта, объясненное Альбертом Эйнштейном на основе гипотезы Планка о квантовой природе света. Работает это явление следующим образом: есть некоторый материал, а вы на него светите и смотрите, выбиваются ли из него в результате электроны. Если менять интенсивность света и при этом держать очень низкую частоту, то электроны вылетать не будут. С другой стороны, если интенсивность оставить постоянной и наращивать частоту, то начиная с какого-то момента электроны начнут вышибаться из материала. Это говорит о том, что, меняя частоту, вы меняете энергию квантов, которые, сталкиваясь с электронами в материале, придают ему энергию, достаточную, чтобы он преодолел барьер и вышел за пределы вещества. Фотоэффект используется, например, в метро: когда вы загораживаете свет турникета, то есть прерываете поток света, падающий на фотоэлемент, то проход автоматически блокируется.

Таким образом, с помощью постоянной Планка можно оценить, насколько применима к той или иной системе классическая механика. Она является одной из констант теоретической физики и помогает описывать квантовые физические явления.

Эмиль Ахмедов

доктор физико-математических наук

ВЕДУЩИЙ НАУЧНЫЙ СОТРУДНИК ИНСТИТУТА ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ ИМЕНИ А. И. АЛИХАНОВА, ПРОФЕССОР КАФЕДРЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ МФТИ

Добавить комментарий