Constant de Planck
Col·laboració de Jordi Domingo per al capítol Constants universals
La física clàssica va estar tota desenvolupada sobre els estudis del comportament dels objectes a (relativa) gran escala, de fet va haver un temps (final dels anys 1800) quan es pensava que podria descriure perfectament qualsevol esdeveniment físic. Però a mesura que es van desenvolupar les tècniques per fer experiències (amb la introducció del món del àtom als laboratoris) tots es van adonar que el comportament de les partícules més petites (les subatòmiques) és diferent i no es pot explicar amb la física clàssica d’objectes palpables al laboratori.
S’havien de desenvolupar noves lleis, les lleis d’una física moderna. Per poder trobar aquestes lleis Max Planck (Kiel, Alemanya, 1858), premi Nobel de física en 1947, va idear una constant que es va convertir en universal. Es coneix ara amb el seu nom i representa un pas entre la macro i la microfísica.
La constant de Planck es simbolitza amb la lletra h o, més sovint, (= h/2, constant reduïda de Planck). Aquesta constant representa el quantum elemental d’acció. El quantum d’acció és simplement el factor de conversió (la relació) entre la freqüència de l’ona associada a una partícula (quantum) i l’energia d’aquesta partícula. Apareix en gairebé totes les equacions de mecànica quàntica (la part de la física que s’encarrega d’estudiar el comportament de la matèria i la llum a escala atòmica i subatòmica) i el seu valor és d’aproximadament
h=6,626 x 10-34 J·s, ó h=4,135 x 10-15 eV·s
La constant de Planck té dimensions d’energia multiplicada per temps, que també són les dimensions del quantum d’acció. En les unitats del sistema internacional, per tant, s’expressa en “Juls per segon” encara que les seves dimensions també poden ser descrites com “moment per distància” (N·m·s). De totes maneres, freqüentment la unitat és el eV·s (electronvolts per segon) perquè és la més adequada per a les petites mesures que s’obtenen en la física de caràcter quàntic.
La constant de Planck és va utilitzar per primera vegada en una de les fórmules més importants de la física moderna, que relaciona la energia E dels fotons amb la freqüència de la ona lumínica (caràcter dual de la llum: partícula i a la vegada ona electromagnètica).
Planck va arribar a aquesta fórmula en 1901 en adonar-se que només era possible descriure la radiació d’un cos negre d’una forma matemàtica coherent amb estats d’energia discrets i no continus. És a dir, que la energia del cos només podia adoptar determinats valors i no qualsevol entre un mínim i un màxim (la funció que sortia de la representació d’aquests valors no era continua). Això li va portar a la idea de que la radiació electromagnètica només es podia modelar como una sèrie d’oscil·ladors harmònics.
Aquest model va demostrar ser molt exacte i avui dia el coneixem com la “llei de Planck”, que relaciona l’energia dels fotons de radiació amb una freqüència (en Hz). Planck, al publicar els resultats no podia creure que les seves hipòtesis sobre la radiació d’un cos negre fos vertadera. Ara està completament demostrat que els seus càlculs eren correctes. L’univers és quàntic (no continu).
Sense adonar-se va reescriure per complet tota la física que s’havia estudiat fins aquell moment en la que la hipòtesi predominant era la de que tot es continu. I, encara que a nivell macroscòpic sembla ser així, a nivell microscòpic és evident de seguida que no ho és. El que passa és que el valor tan petit de la constant de Planck fa que sigui menyspreable el efecte de la discretització (discontinuïtat) de les gràfiques de valors energètics en la mecànica macroscòpica, per tant pensem que tot varia de forma continua quan el que passa és que no podem veure les discontinuïtats.
És evident, per tant, que Planck va inaugurar sense saber-ho una nova manera de treballar la física, que s’ha desenvolupat al llarg del segle XX amb ments brillants com la de Einstein, donant lloc al naixement d’una física exclusivamente quàntica. De fet la constant de Planck és un dels números més importants de cara al futur en l’estudi del coneixement d’allò que envolta a l’ésser humà perquè els límits de la seva transcendència encara està per treballar i descobrir.
La bellesa d’aquesta constant és precisament que ajuda (en un treball el de la investigació en física quàntica a vegades abstracte i difícil) amb un únic paràmetre fonamental a calcular resultats de estudis sobre fenòmens que poden arribar a ser extremadament complicats.
Col·laboració de Jordi Domingo per al capítol Constants universals