Planckenheter
Planck-enheterna är fysiska måttenheter. Systemet med dessa enheter utvecklades först av Max Planck. Definitionen av de fem Planck-enheterna baseras endast på fem fysiska konstanter som finns i naturen. När Planck-enheterna används för att uttrycka någon av dessa fem fysikaliska konstanter är värdet 1. Detta gör det möjligt för fysikerna att förenkla många ekvationer om fysikalisk lag. Planck föreslog dessa enheter 1899. De kallas också för naturliga enheter eftersom ursprunget till deras definition endast kommer från egenskaper i naturen och inte från någon mänsklig konstruktion. Planck-enheterna är bara ett system av naturliga enheter bland andra system. De anses vara unika, eftersom dessa enheter inte baseras på egenskaper hos något prototypobjekt eller någon partikel (som skulle väljas godtyckligt) utan endast på egenskaper hos det fria utrymmet. De konstanter som Planck-enheterna per definition normaliserar till 1 är följande:
- Gravitationskonstant, G;
- Reducerad Planckkonstant, ħ;
- Ljusets hastighet i ett vakuum, c;
- Coulombkonstanten, 1 4 π ε 0 {\displaystyle \textstyle {\frac {\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}}
(ibland ke eller k); - Boltzmanns konstant, kB (ibland k).
Var och en av dessa konstanter kan associeras med minst en grundläggande fysikalisk teori: c med den speciella relativitetsteorin, G med den allmänna relativitetsteorin och Newtons lag om universell gravitation, ħ med kvantmekaniken, ε0 med elektrostatiken och kB med den statistiska mekaniken och termodynamiken. Planck-enheterna är mycket viktiga för den teoretiska fysiken, eftersom de förenklar flera återkommande algebraiska uttryck för fysikaliska lagar. De är särskilt relevanta vid forskning om enhetliga teorier som t.ex. kvantgravitation.
Planck-enheterna kan ibland kallas "Guds enheter" av fysikerna på ett halvhumoristiskt sätt. Vissa fysiker hävdar att kommunikation med utomjordiska intelligenser skulle behöva använda ett sådant enhetssystem för att kunna göra en gemensam referens till skalan. Till skillnad från metern och sekunden, som finns som grundläggande enheter i SI-systemet av historiska skäl (i mänsklighetens historia), är Planck-längden och Planck-tiden begreppsmässigt kopplade till varandra på en grundläggande fysisk nivå.
Naturliga enheter hjälper fysikerna att omformulera frågor. Frank Wilczek uttrycker detta kortfattat:
...Vi ser att frågan inte är "Varför är gravitationen så svag?" utan snarare "Varför är protonens massa så liten?". För i naturliga (Planck-)enheter är gravitationens styrka helt enkelt vad den är, en primär storhet, medan protonens massa är det lilla talet [1/(13 kvintiljoner)]...
- Juni 2001 Physics Today
Gravitationens styrka är helt enkelt vad den är och den elektromagnetiska kraftens styrka är helt enkelt vad den är. Den elektromagnetiska kraften verkar på en annan fysisk kvantitet (elektrisk laddning) än gravitationen (massa), så den kan inte jämföras direkt med gravitationen. Att konstatera att gravitationen är en extremt svag kraft är ur Planck-enheternas synvinkel som att jämföra äpplen och apelsiner. Det är sant att den elektrostatiska repulsiva kraften mellan två protoner (ensamma i det fria rummet) vida överstiger den gravitationella attraktionskraften mellan samma två protoner, och det beror på att laddningen på protonerna är ungefär lika stor som Plancks laddningsenhet, men att protonernas massa är mycket, mycket mindre än Plancks massa.
Frågor och svar
F: Vad är Planck-enheter?
S: Planck-enheter är fysiska måttenheter som först utvecklades av Max Planck och som bygger på fyra fysiska konstanter som finns i naturen. När de används för att uttrycka någon av dessa fyra fysikaliska konstanter är värdet 1.
F: Vad är de fyra grundläggande Planck-enheterna baserade på?
S: De fyra grundläggande Planck-enheterna baseras endast på fyra fysiska konstanter som finns i naturen, nämligen ljusets hastighet i vakuum (c), gravitationskonstanten (G), den reducerade Planck-konstanten (ħ) och Boltzmann-konstanten (kB).
F: Varför kallas de för naturliga enheter?
S: De kallas naturliga enheter eftersom de endast kommer från naturens egenskaper och inte från någon mänsklig konstruktion.
F: Hur hjälper naturliga enheter fysikerna?
Svar: Naturliga enheter hjälper fysikerna att förenkla flera återkommande algebraiska uttryck för fysikaliska lagar och att formulera om frågor. De eliminerar också människocentrerad godtycklighet från enhetssystemet.
F: Vilka teorier har var och en av dessa konstanter minst en grundläggande fysikalisk teori kopplad till sig?
Svar: c har speciell relativitetsteori associerad med den, G har allmän relativitetsteori och Newtons lag om universell gravitation associerad med den, ħ har kvantmekanik associerad med den, ε0 har elektrostatik associerad med den, och kB har statistisk mekanik och termodynamik associerad med den.
F: Varför kallas Planck-enheter ibland halvhumoristiskt för "Guds enheter"?
S: De kan kallas "Guds enheter" eftersom de eliminerar mänskligt centrerad godtycklighet från enhetssystemet och vissa fysiker hävdar att kommunikation med utomjordisk intelligens skulle behöva använda ett sådant enhetssystem för att göra gemensamma referenser till skalan.
