Planck-egységek
A Planck-egységek fizikai mértékegységek. E mértékegységek rendszerét először Max Planck dolgozta ki. Az öt Planck-alapegység meghatározása kizárólag a természetben megtalálható öt fizikai állandón alapul. Ha Planck-egységeket használunk ezen öt fizikai állandó bármelyikének kifejezésére, az érték 1. Ez lehetővé teszi a fizikusok számára, hogy számos fizikai törvényszerűségre vonatkozó egyenletet egyszerűsítsenek. Planck 1899-ben javasolta ezeket az egységeket. Természetes mértékegységeknek is nevezik őket, mivel meghatározásuk eredete kizárólag a természet tulajdonságaiból származik, nem pedig emberi konstrukcióból. A Planck-egységek a természetes mértékegységeknek csak egy rendszere a többi rendszer közül. Egyedülállónak tekinthetők, mert ezek az egységek nem valamilyen prototípus tárgy vagy részecske tulajdonságain alapulnak (amelyek önkényesen lennének kiválasztva), hanem kizárólag a szabad tér tulajdonságain alapulnak. Azok az állandók, amelyeket a Planck-egységek definíció szerint 1-re normálnak, a következők:
- Gravitációs állandó, G;
- Csökkentett Planck-állandó, ħ;
- A fény sebessége vákuumban, c;
- Coulomb-állandó, 1 4 π ε 0 {\displaystyle \textstyle {\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}}
(néha ke vagy k); - Boltzmann-állandó, kB (néha k).
Ezen állandók mindegyike legalább egy alapvető fizikai elmélethez kapcsolható: c a speciális relativitáselmélethez, G az általános relativitáselmélethez és Newton egyetemes gravitációs törvényéhez, ħ a kvantummechanikához, ε0 az elektrosztatikához, kB pedig a statisztikus mechanikához és a termodinamikához. A Planck-egységek nagyon fontosak az elméleti fizika számára, mert egyszerűsítik a fizikai törvények számos visszatérő algebrai kifejezését. Különösen fontosak az olyan egységes elméletek kutatásában, mint a kvantumgravitáció.
A Planck-egységeket a fizikusok néha félig humorosan "Isten egységeinek" nevezik. Ezek kiküszöbölik az emberközpontú önkényt az egységek rendszeréből: egyes fizikusok szerint a földönkívüli intelligenciával való kommunikációhoz ilyen mértékegységrendszert kellene használni, hogy a méretarányokra közös hivatkozást lehessen tenni. A méterrel és a másodperccel ellentétben, amelyek történelmi okokból (az emberi történelemben) léteznek alapvető egységként az SI-rendszerben, a Planck-hossz és a Planck-idő fogalmilag alapvető fizikai szinten kapcsolódik egymáshoz.
A természetes egységek segítenek a fizikusoknak a kérdések újragondolásában. Frank Wilczek ezt tömören fogalmazza meg:
...Látjuk, hogy a [feltett] kérdés nem az, hogy "Miért olyan gyenge a gravitáció?", hanem inkább az, hogy "Miért olyan kicsi a proton tömege?". Mert természetes (Planck) egységekben a gravitáció ereje egyszerűen az, ami, egy elsődleges mennyiség, míg a proton tömege az a parányi szám [1/(13 kvintillió)]...
- 2001. június Physics Today
A gravitáció ereje egyszerűen az, ami, és az elektromágneses erő ereje egyszerűen az, ami. Az elektromágneses erő más fizikai mennyiséggel (elektromos töltés) működik, mint a gravitáció (tömeg), ezért nem lehet közvetlenül összehasonlítani a gravitációval. Megállapítani, hogy a gravitáció rendkívül gyenge erő, a Planck-egységek szempontjából olyan, mintha almát és narancsot hasonlítanánk össze. Igaz, hogy két proton közötti elektrosztatikus taszító erő (egyedül a szabad térben) jóval meghaladja az ugyanezen két proton közötti gravitációs vonzóerőt, és ez azért van, mert a protonok töltése megközelítőleg a Planck-egységnyi töltés, de a protonok tömege sokkal, de sokkal kisebb, mint a Planck-tömeg.
Kérdések és válaszok
K: Mi az a Planck-egység?
V: A Planck-egységek fizikai mértékegységek, amelyeket először Max Planck dolgozott ki, és a természetben található négy fizikai állandón alapulnak. Ha e négy fizikai állandó bármelyikének kifejezésére használják, az érték 1.
K: Mire épül a négy alapvető Planck-egység?
V: A négy Planck-alapegység csak a természetben megtalálható négy fizikai állandón alapul, amelyek közé tartozik a fénysebesség vákuumban (c), a gravitációs állandó (G), a redukált Planck-állandó (ħ) és a Boltzmann-állandó (kB).
K: Miért nevezik ezeket természetes mértékegységeknek?
V: Azért nevezzük őket természetes mértékegységeknek, mert kizárólag a természet tulajdonságaiból származnak, nem pedig emberi konstrukcióból.
K: Hogyan segítik a fizikusokat a természetes egységek?
V: A természetes egységek segítenek a fizikusoknak a fizikai törvények számos visszatérő algebrai kifejezésének egyszerűsítésében és a kérdések átfogalmazásában. Emellett kiküszöbölik az emberközpontú önkényt az egységek rendszeréből.
K: Milyen elméletekhez kapcsolódik minden egyes állandóhoz legalább egy alapvető fizikai elmélet?
V: A c-hez a speciális relativitáselmélet, a G-hez az általános relativitáselmélet és Newton egyetemes gravitációs törvénye, a ħ-hoz a kvantummechanika, az ε0-hoz az elektrosztatika, a kB-hoz pedig a statisztikus mechanika és a termodinamika kapcsolódik.
K: Miért nevezik a Planck-egységeket néha félig humorosan "Isten egységeinek"?
V: Azért nevezhetjük őket "Isten egységeinek", mert kiküszöbölik az emberközpontú önkényt az egységek rendszeréből, és egyes fizikusok szerint a földönkívüli intelligenciával való kommunikációhoz egy ilyen mértékegységrendszert kellene használni, hogy a méretarányokra közös hivatkozást lehessen tenni.
