Jednostki Plancka
Jednostki Plancka są fizycznymi jednostkami miary. System tych jednostek został po raz pierwszy opracowany przez Maxa Plancka. Definicja pięciu podstawowych jednostek Plancka opiera się tylko na pięciu stałych fizycznych występujących w przyrodzie. Kiedy jednostki Plancka są używane do wyrażenia dowolnej z tych pięciu stałych fizycznych, wartość ta wynosi 1. Pozwala to fizykom na uproszczenie wielu równań dotyczących prawa fizycznego. Planck zaproponował te jednostki w 1899 roku. Są one również znane jako jednostki naturalne, ponieważ ich definicja pochodzi tylko z właściwości natury, a nie z konstrukcji ludzkiej. Jednostki Plancka są tylko jednym systemem jednostek naturalnych spośród innych systemów. Uważa się je za unikalne, ponieważ nie są one oparte na właściwościach żadnego prototypowego obiektu lub cząstki (które byłyby dowolnie wybrane), a jedynie na właściwościach wolnej przestrzeni. Stałymi, które jednostki Plancka, z definicji, normalizują się do 1, są te:
- Stała grawitacyjna, G;
- Redukcja Plancka stała, ħ;
- Prędkość światła w próżni, c;
- Coulombowa stała, 1 4π π ε 0 {\i1}Styl stylistyczny {\i0} {\i1}frac {\i1}pi {\i1}varepsilon {\i0}}}}}
(czasami ke lub k); - Boltzmann's constant, kB (czasami k).
Każda z tych stałych może być związana z co najmniej jedną podstawową teorią fizyczną: c ze szczególną względnością, G z ogólną względnością i prawem Newtona grawitacji uniwersalnej, ħ z mechaniką kwantową, ε0 z elektrostatyką i kB z mechaniką statystyczną i termodynamiką. Jednostki Plancka są bardzo ważne dla fizyki teoretycznej, ponieważ upraszczają kilka powtarzających się algebraicznych wyrażeń prawa fizycznego. Są one szczególnie istotne w badaniach nad zunifikowanymi teoriami, takimi jak grawitacja kwantowa.
Jednostki Plancka mogą być czasem na wpół humorystycznie nazywane przez fizyków "jednostkami Bożymi". Eliminują oni z systemu jednostek arbitralność skupioną wokół człowieka: niektórzy fizycy twierdzą, że komunikacja z inteligencją pozaziemską musiałaby wykorzystywać taki system jednostek, aby powszechnie odnosić się do skali. W przeciwieństwie do metra i sekundy, które istnieją jako jednostki podstawowe w układzie SI z powodów historycznych (w historii ludzkości), długość Plancka i czas Plancka są koncepcyjnie powiązane na podstawowym poziomie fizycznym.
Naturalne jednostki pomagają fizykom w kadrowaniu pytań. Frank Wilczek mówi to zwięźle:
...Widzimy, że pytanie nie brzmi: "Dlaczego grawitacja jest tak słaba?", ale raczej: "Dlaczego masa protonu jest tak mała?" Bo w Jednostkach Naturalnych (Planck) siła grawitacji jest po prostu tym, czym jest, wielkością pierwotną, podczas gdy masa protonu jest małą liczbą [1/(13 kwintillionów)]...
- Czerwiec 2001 Fizyka dzisiaj
Siła grawitacji jest po prostu tym, czym jest i siła elektromagnetyczna jest po prostu tym, czym jest. Siła elektromagnetyczna działa na inną wielkość fizyczną (ładunek elektryczny) niż grawitacja (masa), więc nie może być porównywana bezpośrednio z grawitacją. Zauważmy, że grawitacja jest bardzo słabą siłą jest, z punktu widzenia jednostek Plancka, jak porównanie jabłek i pomarańczy. Prawdą jest, że elektrostatyczna siła odpychająca pomiędzy dwoma protonami (samymi w wolnej przestrzeni) znacznie przewyższa grawitacyjną siłę przyciągania pomiędzy tymi samymi dwoma protonami, a to dlatego, że ładunek na protonach jest w przybliżeniu jednostką ładunkową Plancka, ale masa protonów jest znacznie, znacznie mniejsza niż masa Plancka.
Pytania i odpowiedzi
P: Co to są jednostki Plancka?
O: Jednostki Plancka to fizyczne jednostki miary opracowane po raz pierwszy przez Maxa Plancka, oparte na czterech stałych fizycznych występujących w przyrodzie. Kiedy używa się ich do wyrażenia którejkolwiek z tych czterech stałych fizycznych, wartość wynosi 1.
P: Na czym opierają się cztery podstawowe jednostki Plancka?
O: Cztery podstawowe jednostki Plancka opierają się wyłącznie na czterech stałych fizycznych występujących w przyrodzie, do których należą: prędkość światła w próżni (c), stała grawitacyjna (G), zredukowana stała Plancka (ħ) i stała Boltzmanna (kB).
P: Dlaczego nazywa się je jednostkami naturalnymi?
O: Nazywa się je jednostkami naturalnymi, ponieważ pochodzą one wyłącznie z właściwości przyrody, a nie z jakiejkolwiek konstrukcji ludzkiej.
P: W jaki sposób jednostki naturalne pomagają fizykom?
O: Jednostki naturalne pomagają fizykom uprościć wiele powtarzających się wyrażeń algebraicznych dotyczących prawa fizycznego i przeformułować pytania. Eliminują one również z systemu jednostek arbitralność skupioną na człowieku.
P: Z każdą z tych stałych związana jest co najmniej jedna fundamentalna teoria fizyczna?
O: Z c wiąże się szczególna względność, z G - ogólna względność i prawo powszechnego ciążenia Newtona, z ħ - mechanika kwantowa, z ε0 - elektrostatyka, a z kB - mechanika statystyczna i termodynamika.
P: Dlaczego jednostki Plancka są czasem półżartobliwie nazywane "jednostkami Boga"?
O: Mogą być nazywane "jednostkami Boga", ponieważ eliminują z systemu jednostek arbitralność skupioną na człowieku, a niektórzy fizycy twierdzą, że komunikacja z inteligencją pozaziemską musiałaby używać takiego systemu jednostek, aby mieć wspólne odniesienie do skali.
