Planck-eenheden

De Planck-eenheden zijn fysieke meeteenheden. Het systeem van deze eenheden is in eerste instantie ontwikkeld door Max Planck. De definitie van de vijf Planck-basis-eenheden is alleen gebaseerd op vijf fysieke constanten die in de natuur voorkomen. Wanneer Planck-eenheden worden gebruikt om een van deze vijf natuurkundige constanten uit te drukken, is de waarde 1. Dit stelt natuurkundigen in staat om veel vergelijkingen over natuurkundige wetmatigheden te vereenvoudigen. Planck stelde deze eenheden voor in 1899. Ze staan ook wel bekend als natuurlijke eenheden omdat de oorsprong van hun definitie alleen afkomstig is van eigenschappen van de natuur en niet van een menselijke constructie. Planck-eenheden zijn slechts één systeem van natuurlijke eenheden tussen andere systemen. Ze worden als uniek beschouwd, omdat deze eenheden niet gebaseerd zijn op eigenschappen van enig prototype object, of deeltje (dat willekeurig gekozen zou worden) maar alleen gebaseerd zijn op eigenschappen van de vrije ruimte. De constanten die Planck-eenheden, per definitie, normaliseren naar 1 zijn de:

Zwaartekrachtconstante, G;
Verminderde Planck constant, ħ;
Lichtsnelheid in een vacuüm, c;
Coulomb constant, 14π ε 0... $\textstyle {\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}$ (soms _ke of k);
Boltzmann's constante, kB (soms k).

Elk van deze constanten kan geassocieerd worden met tenminste één fundamentele natuurkundige theorie: c met speciale relativiteit, G met algemene relativiteit en Newton's wet van universele gravitatie, ħ met kwantummechanica, ε0 met elektrostatica, en kB met statistische mechanica en thermodynamica. Planck-eenheden zijn erg belangrijk voor de theoretische natuurkunde, omdat ze verschillende terugkerende algebraïsche uitdrukkingen van de natuurkundige wet vereenvoudigen. Ze zijn vooral relevant in het onderzoek naar verenigde theorieën zoals de kwantumzwaartekracht.

Planck-eenheden worden door natuurkundigen soms semi-humorisch aangeduid als "God's eenheden". Zij elimineren de menselijke gecentreerde willekeur uit het systeem van eenheden: sommige fysici stellen dat communicatie met buitenaardse intelligentie zo'n systeem van eenheden zou moeten gebruiken om een gemeenschappelijke verwijzing naar de schaal te maken. In tegenstelling tot de meter en de tweede, die om historische redenen (in de menselijke geschiedenis) als fundamentele eenheden in het SI-systeem bestaan, zijn de Planck-lengte en de Planck-tijd conceptueel met elkaar verbonden op een fundamenteel fysisch niveau.

Natuurlijke eenheden helpen natuurkundigen om vragen te herformuleren. Frank Wilczek legt dit beknopt uit:

...We zien dat de vraag niet is, "Waarom is de zwaartekracht zo zwak?" maar "Waarom is de massa van het proton zo klein?" Want in Natuurlijke (Planck) Eenheden is de sterkte van de zwaartekracht gewoon wat het is, een primaire grootheid, terwijl de massa van het proton het kleine getal [1/(13 quintiljoen)] is...

- Juni 2001 Fysica Vandaag de dag

De kracht van de zwaartekracht is gewoon wat het is en de kracht van de elektromagnetische kracht is gewoon wat het is. De elektromagnetische kracht werkt op een andere fysische grootheid (elektrische lading) dan de zwaartekracht (massa) en kan dus niet direct met de zwaartekracht vergeleken worden. Om op te merken dat de zwaartekracht een extreem zwakke kracht is is, vanuit het oogpunt van Planck-eenheden, als het vergelijken van appels en sinaasappels. Het is waar dat de elektrostatische afstotende kracht tussen twee protonen (alleen in de vrije ruimte) veel groter is dan de aantrekkingskracht van de zwaartekracht tussen dezelfde twee protonen, en dat komt omdat de lading op de protonen ongeveer de Planck-eenheid van lading is, maar de massa van de protonen is ver, veel minder dan de Planck-massa.

Vragen en antwoorden

V: Wat zijn Planck-eenheden?

A: Planck-eenheden zijn natuurkundige meeteenheden die voor het eerst werden ontwikkeld door Max Planck, gebaseerd op vier natuurkundige constanten die in de natuur voorkomen. Wanneer een van deze vier natuurkundige constanten wordt uitgedrukt, is de waarde 1.

V: Waarop zijn de vier basiseenheden van Planck gebaseerd?

A: De vier basiseenheden van Planck zijn uitsluitend gebaseerd op vier natuurkundige constanten, waaronder de lichtsnelheid in vacuüm (c), de zwaartekrachtconstante (G), de gereduceerde constante van Planck (ħ) en de constante van Boltzmann (kB).

V: Waarom worden ze natuurlijke eenheden genoemd?

A: Ze worden natuurlijke eenheden genoemd omdat ze alleen voortkomen uit eigenschappen van de natuur en niet uit een menselijke constructie.

V: Hoe helpen natuurlijke eenheden natuurkundigen?

A: Natuurlijke eenheden helpen natuurkundigen verschillende terugkerende algebraïsche uitdrukkingen van natuurkundige wetten te vereenvoudigen en vragen te herformuleren. Zij elimineren ook menselijke willekeur uit het systeem van eenheden.

V: Aan elk van deze constanten is minstens één fundamentele natuurkundige theorie verbonden?

A: Aan c is speciale relativiteit verbonden, aan G is algemene relativiteit en Newtons wet van universele gravitatie verbonden, aan ħ is kwantummechanica verbonden, aan ε0 is elektrostatica verbonden, en aan kB zijn statistische mechanica en thermodynamica verbonden.

V: Waarom worden Planck-eenheden soms semi-humoristisch "Gods eenheden" genoemd?

A: Ze kunnen "Gods Eenheden" worden genoemd omdat ze de willekeur van de mens uit het eenhedenstelsel halen, en sommige natuurkundigen stellen dat communicatie met buitenaardse intelligentie een dergelijk eenhedenstelsel zou moeten gebruiken om een gemeenschappelijke referentie naar de schaal te maken.