Planckov sistem enot
Planckove enote so fizikalne merske enote. Sistem teh enot je prvi razvil Max Planck. Opredelitev petih osnovnih Planckovih enot temelji le na petih fizikalnih konstantah, ki jih najdemo v naravi. Ko s Planckovimi enotami izrazimo katero koli od teh petih fizikalnih konstant, je vrednost 1. To fizikom omogoča poenostavitev številnih enačb o fizikalnih zakonitostih. Planck je te enote predlagal leta 1899. Znane so tudi kot naravne enote, saj izvor njihove definicije izhaja le iz lastnosti narave in ne iz kakršne koli človeške konstrukcije. Planckove enote so le en sistem naravnih enot med drugimi sistemi. Veljajo za edinstvene, ker te enote ne temeljijo na lastnostih katerega koli prototipnega predmeta ali delca (ki bi bil poljubno izbran), temveč temeljijo le na lastnostih prostega prostora. Konstante, ki jih Planckove enote po definiciji normalizirajo na 1, so:
- gravitacijska konstanta, G;
- reducirana Planckova konstanta, ħ;
- Hitrost svetlobe v vakuumu, c;
- Coulombova konstanta, 1 4 π ε 0 {\displaystyle \textstyle {\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}}
(včasih ke ali k); - Boltzmannova konstanta, kB (včasih k).
Vsako od teh konstant lahko povežemo z vsaj eno temeljno fizikalno teorijo: c s posebno teorijo relativnosti, G s splošno teorijo relativnosti in Newtonovim zakonom univerzalne gravitacije, ħ s kvantno mehaniko, ε0 z elektrostatiko ter kB s statistično mehaniko in termodinamiko. Planckove enote so zelo pomembne za teoretično fiziko, saj poenostavijo več ponavljajočih se algebrskih izrazov fizikalnega zakona. Posebej pomembne so pri raziskavah enotnih teorij, kot je kvantna gravitacija.
Planckove enote fiziki včasih napol šaljivo imenujejo "božje enote". V sistemu enot odpravljajo arbitrarnost, ki je osredotočena na človeka: nekateri fiziki trdijo, da bi komunikacija z nezemeljsko inteligenco morala uporabljati tak sistem enot, da bi se lahko sklicevali na skupno merilo. V nasprotju z metrom in sekundo, ki kot temeljni enoti v sistemu SI obstajata iz zgodovinskih razlogov (v človeški zgodovini), sta Planckova dolžina in Planckov čas konceptualno povezana na temeljni fizikalni ravni.
Naravne enote pomagajo fizikom pri oblikovanju vprašanj. Frank Wilczek to izrazi zgoščeno:
...Vidimo, da se vprašanje ne glasi: "Zakaj je gravitacija tako šibka?", temveč: "Zakaj je masa protona tako majhna?" Kajti v naravnih (Planckovih) enotah je moč gravitacije preprosto to, kar je, primarna količina, medtem ko je masa protona majhno število [1/(13 kvintilijonov)] ...
- junij 2001 Fizika danes
Moč gravitacije je takšna, kot je, in moč elektromagnetne sile je takšna, kot je. Elektromagnetna sila deluje na drugo fizikalno količino (električni naboj) kot gravitacija (masa), zato je ni mogoče neposredno primerjati z gravitacijo. Ugotovitev, da je gravitacija izjemno šibka sila, je z vidika Planckovih enot podobna primerjanju jabolk in pomaranč. Res je, da elektrostatična odbojna sila med dvema protonoma (sama v prostem prostoru) močno presega gravitacijsko privlačno silo med istima protonoma, to pa zato, ker je naboj na protonih približno enak Planckovi enoti naboja, vendar je masa protonov veliko, veliko manjša od Planckove mase.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj so Planckove enote?
O: Planckove enote so fizikalne merske enote, ki jih je prvi razvil Max Planck in temeljijo na štirih fizikalnih konstantah, ki jih najdemo v naravi. Kadar se uporabi za izražanje katere koli od teh štirih fizikalnih konstant, je njena vrednost 1.
V: Na čem temeljijo štiri osnovne Planckove enote?
O: Štiri osnovne Planckove enote temeljijo le na štirih fizikalnih konstantah, ki jih najdemo v naravi in vključujejo hitrost svetlobe v vakuumu (c), gravitacijsko konstanto (G), reducirano Planckovo konstanto (ħ) in Boltzmannovo konstanto (kB).
V: Zakaj se imenujejo naravne enote?
O: Naravne enote se imenujejo zato, ker izhajajo le iz lastnosti narave in ne iz človeških konstrukcij.
V: Kako naravne enote pomagajo fizikom?
O: Naravne enote pomagajo fizikom poenostaviti več ponavljajočih se algebrskih izrazov fizikalnih zakonov in preoblikovati vprašanja. Prav tako iz sistema enot odstranijo samovoljnost, ki jo je povzročil človek.
V: Katere teorije Vsaka od teh konstant ima vsaj eno temeljno fizikalno teorijo, povezano z njo?
O: S c je povezana posebna teorija relativnosti, z G je povezana splošna teorija relativnosti in Newtonov zakon univerzalne gravitacije, z ħ je povezana kvantna mehanika, z ε0 je povezana elektrostatična teorija, s kB pa statistična mehanika in termodinamika.
V: Zakaj se Planckove enote včasih napol humorno imenujejo "božje enote"?
O: Lahko se jim reče "božje enote", ker iz sistema enot odpravljajo arbitrarnost, ki jo je povzročil človek, in nekateri fiziki trdijo, da bi komunikacija z nezemeljsko inteligenco morala uporabljati tak sistem enot, da bi se lahko sklicevali na skupno merilo.
