Planckin yksiköt
Planckin yksiköt ovat fysikaalisia mittayksiköitä. Näiden yksiköiden järjestelmän kehitti ensimmäisenä Max Planck. Viiden Planckin perusyksikön määritelmä perustuu ainoastaan viiteen luonnossa esiintyvään fysikaaliseen vakioon. Kun Planckin yksiköitä käytetään ilmaisemaan mitä tahansa näistä viidestä fysikaalisesta vakiosta, arvo on 1. Tämän ansiosta fyysikot voivat yksinkertaistaa monia fysikaalisia lakeja koskevia yhtälöitä. Planck ehdotti näitä yksiköitä vuonna 1899. Niitä kutsutaan myös luonnollisiksi yksiköiksi, koska niiden määritelmän alkuperä on peräisin ainoastaan luonnon ominaisuuksista eikä mistään inhimillisestä rakennelmasta. Planckin yksiköt ovat vain yksi luonnollisten yksiköiden järjestelmä muiden järjestelmien joukossa. Niitä pidetään ainutlaatuisina, koska ne eivät perustu minkään prototyyppisen esineen tai hiukkasen ominaisuuksiin (jotka olisi valittu mielivaltaisesti), vaan ne perustuvat ainoastaan vapaan tilan ominaisuuksiin. Vakiot, jotka Planckin yksiköt määritelmän mukaan normalisoivat arvoon 1, ovat:
- Gravitaatiovakio, G;
- Pelkistetty Planckin vakio, ħ;
- Valon nopeus tyhjiössä, c;
- Coulombin vakio, 1 4 π ε 0 {\displaystyle \textstyle {\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}}
(joskus ke tai k); - Boltzmannin vakio, kB (joskus k).
Kukin näistä vakioista voidaan liittää vähintään yhteen fysiikan perusteoriaan: c liittyy erityiseen suhteellisuusteoriaan, G yleiseen suhteellisuusteoriaan ja Newtonin universaaliin gravitaatiolakiin, ħ kvanttimekaniikkaan, ε0 sähköstaattiseen teoriaan ja kB tilastolliseen mekaniikkaan ja termodynamiikkaan. Planckin yksiköt ovat erittäin tärkeitä teoreettisen fysiikan kannalta, koska ne yksinkertaistavat useita fysikaalisten lakien toistuvia algebrallisia lausekkeita. Ne ovat erityisen tärkeitä yhtenäisteorioiden, kuten kvanttigravitaation, tutkimuksessa.
Fyysikot kutsuvat Planckin yksiköitä joskus puolihuumorilla "Jumalan yksiköiksi". Ne poistavat ihmiskeskeisen mielivallan yksikköjärjestelmästä: jotkut fyysikot väittävät, että kommunikaatiossa maan ulkopuolisen älykkyyden kanssa olisi käytettävä tällaista yksikköjärjestelmää, jotta mittakaavaan voitaisiin viitata yhteisesti. Toisin kuin metri ja sekunti, jotka ovat olemassa SI-järjestelmän perusyksikköinä historiallisista syistä (ihmiskunnan historiassa), Planckin pituus ja Planckin aika ovat käsitteellisesti sidoksissa toisiinsa fysiikan perustasolla.
Luonnolliset yksiköt auttavat fyysikkoja muotoilemaan kysymyksiä uudelleen. Frank Wilczek ilmaisee asian ytimekkäästi:
...Huomaamme, että kysymys ei ole: "Miksi painovoima on niin heikko?" vaan pikemminkin: "Miksi protonin massa on niin pieni?"." Sillä luonnollisissa (Planckin) yksiköissä painovoiman voimakkuus on yksinkertaisesti sitä, mitä se on, ensisijainen suure, kun taas protonin massa on pikkuruinen luku [1/(13 kvintiljoonaa)]...
- Kesäkuu 2001 Physics Today
Painovoiman voimakkuus on yksinkertaisesti sitä, mitä se on, ja sähkömagneettisen voiman voimakkuus on yksinkertaisesti sitä, mitä se on. Sähkömagneettinen voima toimii eri fysikaalisen suureen (sähkövaraus) kuin painovoima (massa), joten sitä ei voi suoraan verrata painovoimaan. Sen toteaminen, että painovoima on äärimmäisen heikko voima, on Planckin yksiköiden näkökulmasta kuin vertaisi omenoita ja appelsiineja. On totta, että kahden protonin välinen sähköstaattinen repulsiivinen voima (yksin vapaassa avaruudessa) ylittää huomattavasti kahden saman protonin välisen gravitaatiovetovoiman, ja tämä johtuu siitä, että protonien varaus on suunnilleen Planckin varauksen suuruinen, mutta protonien massa on paljon, paljon pienempi kuin Planckin massa.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä ovat Planckin yksiköt?
V: Planckin yksiköt ovat Max Planckin kehittämiä fysikaalisia mittayksiköitä, jotka perustuvat neljään luonnossa esiintyvään fysikaaliseen vakioon. Kun käytetään mitä tahansa näistä neljästä fysikaalisesta vakiosta, arvo on 1.
K: Mihin neljä Planckin perusyksikköä perustuvat?
V: Neljä Planckin perusyksikköä perustuvat ainoastaan neljään luonnossa esiintyvään fysikaaliseen vakioon, joita ovat valon nopeus tyhjiössä (c), gravitaatiovakio (G), redusoitu Planckin vakio (ħ) ja Boltzmannin vakio (kB).
Kysymys: Miksi niitä kutsutaan luonnollisiksi yksiköiksi?
V: Niitä kutsutaan luonnollisiksi yksiköiksi, koska ne perustuvat ainoastaan luonnon ominaisuuksiin eivätkä mihinkään inhimilliseen konstruktioon.
K: Miten luonnolliset yksiköt auttavat fyysikkoja?
V: Luonnolliset yksiköt auttavat fyysikoita yksinkertaistamaan useita toistuvia fysikaalisten lakien algebrallisia lausekkeita ja muotoilemaan kysymyksiä uudelleen. Ne poistavat myös ihmiskeskeisen mielivallan yksikköjärjestelmästä.
K: Mitä teorioita kuhunkin näistä vakioista liittyy vähintään yksi fysiikan perusteoria?
V: C:hen liittyy erityinen suhteellisuusteoria, G:hen liittyy yleinen suhteellisuusteoria ja Newtonin universaalinen gravitaatiolaki, ħ:hen liittyy kvanttimekaniikka, ε0:aan liittyy sähköstatiikka ja kB:hen liittyy tilastollinen mekaniikka ja termodynamiikka.
Kysymys: Miksi Planckin yksiköitä kutsutaan joskus puolihuumorilla "Jumalan yksiköiksi"?
V: Niitä voidaan kutsua "Jumalan yksiköiksi", koska ne poistavat ihmiskeskeisen mielivallan yksikköjärjestelmästä, ja jotkut fyysikot väittävät, että kommunikaatiossa maan ulkopuolisen älykkyyden kanssa olisi käytettävä tällaista yksikköjärjestelmää, jotta mittakaava olisi yhteinen.
