Planck-enheder
Planck-enhederne er fysiske måleenheder. Systemet med disse enheder blev først udviklet af Max Planck. Definitionen af de fem Planck-enheder er udelukkende baseret på fem fysiske konstanter, der findes i naturen. Når Planck-enhederne anvendes til at udtrykke en af disse fem fysiske konstanter, er værdien 1. Dette giver fysikerne mulighed for at forenkle mange ligninger om fysiske love. Planck foreslog disse enheder i 1899. De er også kendt som naturlige enheder, fordi oprindelsen til deres definition kun stammer fra naturens egenskaber og ikke fra nogen menneskelig konstruktion. Planck-enhederne er kun ét system af naturlige enheder blandt andre systemer. De anses for at være unikke, fordi disse enheder ikke er baseret på egenskaberne af en prototype af et objekt eller en partikel (som ville være vilkårligt valgt), men udelukkende er baseret på egenskaberne af det frie rum. De konstanter, som Planck-enhederne pr. definition normaliserer til 1, er følgende:
- Gravitationskonstant, G;
- Reduceret Planck-konstant, ħ;
- Lysets hastighed i et vakuum, c;
- Coulomb-konstant, 1 4 π ε 0 {\displaystyle \textstyle {\frac {\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}}
(undertiden ke eller k); - Boltzmanns konstant, kB (undertiden k).
Hver af disse konstanter kan knyttes til mindst én grundlæggende fysisk teori: c til den specielle relativitetsteori, G til den generelle relativitetsteori og Newtons lov om universel gravitation, ħ til kvantemekanikken, ε0 til elektrostatikken og kB til den statistiske mekanik og termodynamikken. Planck-enhederne er meget vigtige for den teoretiske fysik, fordi de forenkler flere tilbagevendende algebraiske udtryk for fysiske love. De er især relevante i forskning i forenede teorier som f.eks. kvantetyngdekraften.
Planck-enheder kan undertiden af fysikere halvhumoristisk blive omtalt som "Guds enheder". De fjerner menneskeskabt vilkårlighed fra enhedssystemet: nogle fysikere hævder, at kommunikation med extraterrestrisk intelligens ville være nødt til at anvende et sådant enhedssystem for at kunne lave fælles reference til skalaen. I modsætning til meteren og sekundet, der eksisterer som grundlæggende enheder i SI-systemet af historiske årsager (i menneskets historie), er Planck-længden og Planck-tiden begrebsmæssigt forbundet på et grundlæggende fysisk niveau.
Naturlige enheder hjælper fysikere med at omformulere spørgsmål. Frank Wilczek udtrykker det kortfattet:
...Vi kan se, at spørgsmålet ikke er: "Hvorfor er tyngdekraften så svag?", men snarere: "Hvorfor er protonens masse så lille?" For i naturlige (Planck-)enheder er tyngdekraftens styrke simpelthen hvad den er, en primær størrelse, mens protonens masse er det lille tal [1/(13 quintillion)]...
- Juni 2001 Physics Today
Tyngdekraftens styrke er simpelthen, hvad den er, og den elektromagnetiske krafts styrke er simpelthen, hvad den er. Den elektromagnetiske kraft virker på en anden fysisk størrelse (elektrisk ladning) end tyngdekraften (masse), så den kan ikke sammenlignes direkte med tyngdekraften. At konstatere, at tyngdekraften er en ekstremt svag kraft, er ud fra Planck-enhedernes synspunkt som at sammenligne æbler og appelsiner. Det er rigtigt, at den elektrostatiske frastødende kraft mellem to protoner (alene i det frie rum) langt overstiger den tiltrækkende gravitationskraft mellem de samme to protoner, og det skyldes, at ladningen på protonerne er omtrent lig med Planck-enhedens ladning, men at protonernes masse er langt, langt mindre end Planck-massen.
Spørgsmål og svar
Spørgsmål: Hvad er Planck-enheder?
A: Planck-enheder er fysiske måleenheder, der først blev udviklet af Max Planck og er baseret på fire fysiske konstanter, der findes i naturen. Når de bruges til at udtrykke en af disse fire fysiske konstanter, er værdien 1.
Sp: Hvad er de fire grundlæggende Planck-enheder baseret på?
A: De fire grundlæggende Planck-enheder er kun baseret på fire fysiske konstanter, der findes i naturen, herunder lysets hastighed i vakuum (c), gravitationskonstanten (G), den reducerede Planck-konstant (ħ) og Boltzmann-konstanten (kB).
Spørgsmål: Hvorfor kaldes de naturlige enheder?
A: De kaldes naturlige enheder, fordi de kun stammer fra naturens egenskaber og ikke fra nogen menneskelig konstruktion.
Spørgsmål: Hvordan hjælper naturlige enheder fysikerne?
A: Naturlige enheder hjælper fysikere med at forenkle flere tilbagevendende algebraiske udtryk for fysiske love og med at omformulere spørgsmål. De fjerner også menneskeskabte vilkårligheder fra enhedssystemet.
Spørgsmål: Hvilke teorier har hver af disse konstanter mindst én grundlæggende fysisk teori knyttet til dem?
Svar: c er forbundet med den specielle relativitetsteori, G er forbundet med den generelle relativitetsteori og Newtons lov om universel gravitation, ħ er forbundet med kvantemekanikken, ε0 er forbundet med elektrostatikken, og kB er forbundet med statistisk mekanik og termodynamik.
Spørgsmål: Hvorfor kan Planck-enheder nogle gange halvhumoristisk blive omtalt som "Guds enheder"?
A: De kan blive omtalt som "Guds enheder", fordi de eliminerer menneskeskabt vilkårlighed fra enhedssystemet, og nogle fysikere hævder, at kommunikation med extraterrestrisk intelligens ville være nødt til at bruge et sådant enhedssystem for at kunne lave fælles reference til skalaen.
