Почему постоянная Планка является точным числом с определенным значением?

Постоянная Планка связывает два разных типа величин, а именно энергию и частоту. Это означает, что это коэффициент преобразования, который переводит единицы величин из одной формы в другую. Если единицы этих двух величин определены отдельно, то можно использовать измерения для определения значения коэффициента пересчета. Тогда это значение будет иметь некоторую неопределенность из-за экспериментальных условий. Это то, что было сделано раньше. Однако недавно было принято решение определять единицы одной из величин через другую, устанавливая коэффициент пересчета (постоянную Планка) на фиксированное значение без неопределенности. Это произошло благодаря переопределению килограмма . Теперь в нем больше нет никакой неопределенности. То же самое было сделано для скорости света некоторое время назад.

До мая 2019 года постоянная Планка не определялась точным значением, а вместо этого измерялась экспериментально как$6.626069934(89)\times10^{−34}\ \mathrm{J\cdot s}$. Однако стоит отметить, что мы имеем в виду, говоря, что эта константа имеет определенное числовое значение при выражении в определенных единицах. По сути, когда мы измеряем физическую величину, мы сравниваем ее со значением некоторой константы, которая объявлена ​​эталоном, т.е. единицей.

Когда постоянная Планка была измерена экспериментально, это означало сравнение со старым значением джоуля-секунды, которое частично определялось на основе массы куска металла в хранилище во Франции. Другими словами, количество изменилось бы, если бы изменилась масса международного прототипа килограмма. Из-за этого было общепризнано, что определение единиц на основе артефактов не является идеальным, что лучше определять единицы на основе физических констант. Однако до недавнего времени не было хорошего способа определить единицу массы на основе физической константы.

Что изменилось недавно, так это разработка весов Киббла , которые позволили измерить постоянную Планка с достаточной точностью, чтобы определить ее точное значение. Теперь вам может быть интересно, как исчезает неопределенность, поскольку измерения всегда имеют погрешности. Ответ заключается в том, что эта неопределенность переносится на калибровку приборов, которые производят измерения в единицах, определяемых постоянной Планка, а именно в килограммах. Другими словами, всякий раз, когда вы измеряете массу чего-либо в килограммах, вы косвенно сравниваете массу с постоянной Планка (в сочетании с некоторыми другими константами для получения правильных размеров), и неопределенность постоянной Планка распространяется на калибровку ваших весов.

Это сводится к тому, как определяются единицы. Если вы посмотрите на определение единиц СИ , в частности, на определение килограмма:

Промежуточный (1889 г.): масса небольшого приземистого цилиндра объемом ≈47 кубических сантиметров из платино-иридиевого сплава, хранящегося в Международном бюро мер и весов (BIPM), Павильон де Бретей, Франция. Также на практике любая из его многочисленных официальных копий.

Так раньше определяли килограмм. Обратите внимание, что это явно нежелательно. Есть ровно один маленький приземистый цилиндр из платино-иридиевого сплава, который подходит под определение. Мало того, что это проблематично (реплики не являются «официальными», поэтому разные люди могут получить разные килограммы), есть и другие проблемы: например, твердые вещества подвергаются сублимации и становятся газом. Этот процесс чрезвычайно медленный для твердых металлов, но скорость все же не равна нулю. Как тогда определить килограмм? Должны ли мы также указывать год?

Решением этой проблемы было определение килограмма с точки зрения постоянной Планка. Теперь, когда постоянная Планка имеет точное значение, если ее значение слегка «смещается», на самом деле смещается значение килограмма.