Unuoj de Planck

El Vikipedio, la libera enciklopedio
Saltu al: navigado, serĉo

En fiziko, unuoj de Planck estas sistemo de naturaj mezurunuoj, kio estas mezurunuoj elektitaj tiel ke certaj fundamentaj fizikaj konstantoj egalu al 1. En unuoj de Planck, la konstantaj tiel ununormigitaj estas:

Ĉiu el ĉi tiuj konstantoj povas esti asociita kun almenaŭ unu fundamenta fizika teorio: c kun speciala teorio de relativeco, G kun ĝenerala relativeco kaj gravito, ħ kun kvantuma mekaniko, ε0 kun elektrostatiko, kB kun statistika mekaniko kaj varmodinamiko. Unuoj de Planck havas profundan signifecon por teoria fiziko pro tio, ke ili elegante plisimpligas kelkajn algebrajn esprimojn de fizikaj leĝoj per sendimensiigo.

La unuoj estas nomitaj laŭ germana fizikisto Max Planck, kiu proponis ilin en 1899.

Bazaj unuoj de Planck[redakti | redakti fonton]

Ĉiuj sistemoj de mezurunuoj havas bazajn unuojn: en la Sistemo Internacia de Unuoj (SI), ekzemple, la baza unuo de longo estas la metro. En la sistemo de unuoj de Planck, la baza unuo de longo en unuoj de Planck estas sciata simple kiel la longo de Planck, la baza unuo de tempo estas la tempo de Planck, kaj tiel plu. Ĉi tiuj unuoj estas derivitaj de la kvin fundamentaj fizikaj konstantoj:

Konstanto Simbolo Dimensio
L = longo
T = tempo
M = maso
Q = elektra ŝargo
Θ = temperaturo
Valoro en SIaj unuoj kun necertecoj[1]
Lumrapideco c LT-1 299792458 m s-1
Gravita konstanto G L3M-1T -2 6,67428(67) × 10-11 m3 kg-1 s-2}}
Malpligrandigita konstanto de Planck  \hbar = \frac{h}{2 \pi}
kie h estas konstanto de Planck
L2MT-1 1,054571628(53) × 10-34 J s
Kulomba forta konstanto  k_e = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0}
kie ε0 estas la elektra konstanto
L3MT-2Q-2 8987551787,3681764 N m2 C-2
Konstanto de Boltzmann kB L2MT-2Θ-1 1,3806504(24) × 10-23 J K-1

La valoroj donitaj sen necertecoj estas akurataj pro difinoj de metro kaj la ampero.

Tiel la bazaj unuoj de Planck estas:

Nomo Dimensio Formulo Valoro per SI-aj unuoj kun necerteco[1] Valoro per la aliaj unuoj
Longo de Planck Longo L l_P = \sqrt{\frac{\hbar G}{c^3} } 1,616252(81) × 10-35 m
Maso de Planck Maso M m_P = \sqrt{\frac{\hbar c}{G} } 2,17644(11) × 10-8 kg 1,220862(61)× 1019 GeV/c2
Tempo de Planck Tempo T t_P = \frac{l_P}{c} = \frac{\hbar}{m_Pc^2} = \sqrt{\frac{\hbar G}{c^5} } 5,39124(27) × 10-44 s
Ŝargo de Planck Elektra ŝargo Q q_P = m_P 2 \pi \sqrt{G \varepsilon_0} = \sqrt{\hbar c 4 \pi \varepsilon_0} 1,875545866(47) × 10-18 C 11,7062376144(22) e
ĉi tiuj valoroj ne estas listigitaj per NIST/CODATA, sed povas esti kalkulitaj, vidu sube pri la necertecoj
Temperaturo de Planck Temperaturo Θ T_P = \frac{m_P c^2}{k} = \sqrt{\frac{\hbar c^5}{G k^2} } 1,416785(71) × 1032 K

Derivitaj unuoj de Planck[redakti | redakti fonton]

En ĉiu sistemo de mezuro, unuoj por multaj fizikaj kvantoj povas esti derivita de bazaj unuoj. Jen estas ili kelkaj, kiuj fakte estas malofte uzita. Same kiel kun la bazaj unuoj, ilia uzo estas plejparte limigita al teoria fiziko ĉar la plejparto de ili estas tro grandaj aŭ tro malgrandaj por praktika uzo kaj estas grandaj necertecoj en iliaj valoroj (vidu sube pri la necertecoj).

Derivitaj unuoj de Planck

Nomo Dimensio Formulo Valoro per SI-aj unuoj
Areo de Planck Areo L2  l_P^2 = \frac{\hbar G}{c^3} 2,61223·10-70 m2
Volumeno de Planck Volumeno L3  l_P^3 = \left( \frac{\hbar G}{c^3} \right)^{\frac{3}{2} } 4,22419·10-105 m3
Denseco de Planck Denseco L-3M \rho_P = \frac{m_P}{l_P^3} = \frac{\hbar t_P}{l_P^5} = \frac{c^5}{\hbar G^2} 5,15500·1096 kg/m3
Momanto de Planck Movokvanto LMT-1 m_P c = \frac{\hbar}{l_P} = \sqrt{\frac{\hbar c^3}{G} } 6,52485 kg m/s
Forto de Planck Forto LMT-2 F_P = \frac{E_P}{l_P} = \frac{\hbar}{l_P t_P} = \frac{c^4}{G} 1,21027·1044 N
Premo de Planck Premo LM-1T-2 p_P = \frac{F_P}{l_P^2} = \frac{\hbar}{l_P^3 t_P} =\frac{c^7}{\hbar G^2} 4,63309·10113 Pa
Energio de Planck Energio L2MT-2 E_P = m_P c^2 = \frac{\hbar}{t_P} = \sqrt{\frac{\hbar c^5}{G} } 1,9561·109 J
Povumo de Planck Povumo L2MT-3 P_P = \frac{E_P}{t_P} = \frac{\hbar}{t_P^2} = \frac{c^5}{G} 3,62831·1052 W
Frekvenco de Planck Frekvenco T-1 \omega_P = \frac{1}{t_P} = \sqrt{\frac{c^5}{\hbar G}} 1,85487·1043 s-1
Elektra tensio de Planck Elektra tensio L2MT-2Q-1 V_P = \frac{E_P}{q_P} = \frac{\hbar}{t_P q_P} = \sqrt{\frac{c^4}{G 4 \pi \varepsilon_0} } 1,04295·1027 V
Elektra kurento de Planck Elektra kurento QT-1 I_P = \frac{q_P}{t_P} = \sqrt{\frac{c^6 4 \pi \varepsilon_0}{G}} 3,4789·1025 A
Impedanco de Planck Elektra rezistancoImpedanco L2MT-1Q-2 Z_P = \frac{V_P}{I_P} = \frac{\hbar}{q_P^2} = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0 c} = \frac{Z_0}{4 \pi}
kie Z0 estas la karakteriza impedanco de libera spaco
29,9792458 Ω

Necertecoj de valoroj[redakti | redakti fonton]

Unuoj de Planck estas klare difinitaj per fundamentaj konstantoj. Respektive al la aliaj mezurunuоj (ĉefe tiuj de SI) la valoroj de tiuj unuoj de Planck estas sciataj nur proksimume. La plejparto de necerteco en la valoroj estas pro necerteco de valoro de la gravita konstanto G.

Hodiaŭ la valoro de la lumrapideco c en SI-aj unuoj estas sciata sen necerteco, ĉar la SI-a baza unuo de longo metro, estas difinita tiel ke la lumrapideco c=299792458 m/s akurate. Simile la elektra konstanto ε0 estas sciata sen necerteco, ĉar la SI-a baza unuo ampero difinita tiel ke la magneta permeablo μ0 = 4π·10-7 H/m sen necerteco kaj estas rilato μ0ε0 = 1/c2.

La malpligrandigita konstanto de Planck ħ estas mezurita eksperimente kun relativa necerteco 5·10-8.

La gravita konstanto G estas mezurita eksperimente kun multe pli granda relativa necerteco 10-4 [1]. G aperas en difino de preskaŭ ĉiu el la unuoj de Planck, tiel la necertoj de iliaj valoroj aperas preskaŭ tute de necerteco en la valoro de G. La relativa necerteco de ĉiu el la unuoj de Planck proksimume egalas al relativa necerteco de G multiplikita al absoluta valoro de potenco en kiu G estas en la algebra esprimo por la unuo. Pro tio ke ke absoluta valoro de potenco de G estas 1/2 (G estas en numeratorodenominatoro sub kvadrata radiko) por ĉiuj bazaj unuoj de Planck escepte de la ŝargo, ili ĉiuj kvar havas relativajn necertecojn egalajn al duono de tiu de G, kio estas 1/20000.

La konstanto de Boltzmann kB estas mezurita eksperimente kun relativa necerteco 1,7·10-6, kio estas ne tiel multe kiel relativa necerteco de G, sed pli multe ol relativa necerteco de konstanto de Planck. Tamen la konstanto de Boltzmann aperas nur ĉe relative malmultaj mezurunuoj rilatantaj al temperaturo.

Relativa necerteco de valoro de la ŝargo de Planck en kulomboj egalas al duono de relativa necerteco de konstanto de Planck, kaj relativa necerteco de la ŝargo de Planck en elementaj elektraj ŝargoj egalas al duono de relativa necerteco de la maldiko-struktura konstanto.

Fizikaj ekvacioj en unuoj de Planck[redakti | redakti fonton]

Fizikaj kvantoj kiuj havas malsamajn dimensiojn ne povas esti egaligitaj eĉ se ili estas ciferece egalaj (1 sekundo estas ne la sama kiel 1 metro). Ĉe uzo de unuoj de Planck, per opcio la ciferecaj valoroj de kvin fundamenta konstantoj egalas al 1, ĉi tio sendimensiigas la fizikaj kvantojn, kaj longo de amplekso 1 longo de Planck jam en iu senco egalas al tempo de amplekso 1 tempo de Planck.

La sendimensiigo plisimpligas multajn fundamentajn fizikajn ekvaciojn.

Fizika leĝo Kutima formo Sendimensiigita formo kun ĉiuj valoroj mezurataj en unuoj de Planck
Neŭtona leĝo de gravito  F = - G \frac{m_1 m_2}{r^2}  F = - \frac{m_1 m_2}{r^2}
Kulomba leĝo  F = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} \frac{q_1 q_2}{r^2}  F = \frac{q_1 q_2}{r^2}
Ekvacioj de Maxwell \nabla \cdot \mathbf{E} = \rho/\varepsilon_0

\nabla \cdot \mathbf{B} = 0 \
\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}
\nabla \times \mathbf{B} = \mu_0 \mathbf{J} + \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}} {\partial t}

\nabla \cdot \mathbf{E} = 4 \pi \rho \

\nabla \cdot \mathbf{B} = 0 \
\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}
\nabla \times \mathbf{B} = 4 \pi \mathbf{J} + \frac{\partial \mathbf{E}} {\partial t}

Maso-energia ekvivalento en speciala teorio de relativeco E = mc2 E = m
Varmeca energio por partiklo kun unu grado de libereco E = kB T/2 E = T/2
Principo de Boltzmann por entropio S = kB ln(W) S = ln(W)
Rilato de Planck por energio kaj angula frekvenco E = ħω E = ω
Ekvacio de Schrödinger  - \frac{\hbar^2}{2m} \nabla^2 \psi(\mathbf{r}, t) + V(\mathbf{r}) \psi(\mathbf{r}, t) = i \hbar \dot{\psi}(\mathbf{r}, t)  - \frac{1}{2m} \nabla^2 \psi(\mathbf{r}, t) + V(\mathbf{r}) \psi(\mathbf{r}, t) = i \dot{\psi}(\mathbf{r}, t)
Hamiltona esprima formo de ekvacio de Schrödinger  H \left| \psi_t \right\rangle = i \hbar \partial \left| \psi_t \right\rangle/\partial t  H \left| \psi_t \right\rangle = i \partial \left| \psi_t \right\rangle/\partial t
Ejnŝtejnaj kampaj ekvacioj en ĝenerala relativeco { G_{\mu \nu} = 8 \pi {G \over c^4} T_{\mu \nu} } \ { G_{\mu \nu} = 8 \pi T_{\mu \nu} } \
Kunvarianta formo de la Diraka ekvacio \ ( \hbar \gamma^\mu \partial_\mu - imc) \psi = 0 \ ( \gamma^\mu \partial_\mu - im) \psi = 0

Sendimensiaj mezurunuoj aldonan postulas zorgon en uzo, ĉar kun kutimaj mezurunuoj dimensioj faras aldonan kontrolado de korekteco de formuloj.

Ligeco al reala vivo[redakti | redakti fonton]

Samaksa kablo kun karakteriza impedanco de du kaj duono impedancoj de Planck

Fizikistoj iam komike nomas la unuojn de Planck kiel "diaj unuoj", ĉar unuoj de Planck estas tute liberaj de ajna homarocentreco. Malsimile al metro, kilogramo kaj sekundo kiuj ekzistas kiel fundamentaj unuoj en la SI-a sistemo pro uzebleco en vivo de la homaro kaj historiaj kaŭzoj, ĉiuj unuojn de Planck estas koncepte ligitaj nur al fundamentaj fizikaj leĝoj.

Iu unuoj de Planck estas taŭgaj por mezuri kvantojn kiuj estas pli-malpli familiaraj de ĉiutaga sperto:

La impedanco de Planck estas sufiĉe forte ligita al la reala vivo, ĉar ĝi estas ligita per malgranda koeficiento kun la karakteriza impedanco de libera spaco, kiu en sia vico estas ligita per malgranda koeficiento kun karakteriza impedanco de praktike uzataj telekomunikaj kabloj. Tiel estas ofte uzataj samaksaj kabloj kun karakterizaj impedancoj 50 Ω ≈ 1,67 ZP kaj 75 Ω ≈ 2,5 ZP.

Tamen, plejparto de unuoj de Planck estas je multaj dekumaj ordoj de grandeco pli grandaj aŭ pli malgrandaj ol valoroj kiuj aperas en praktika uzado. En iuj okazoj 1 unuo de Planck estas la plej granda aŭ plej malgranda valoro de fizika kvanto kiu havas fizikan sencon:

  • Rapido de Planck estas la lumrapideco en vakuo, la maksimuma ebla rapido en speciala teorio de relativeco.
  • Kutime uzata kaj komprenanta kvantuma mekaniko estas aplikebla al la universo ekde komenco epoko de Planck, kiu komenciĝis proksimume post 1 tempo de Planck post la praeksplodo, kiam la universo kreskis ĝis proksimume 1 longo de Planck kaj malvarmiĝis ĝis proksimume 1 temperaturo de Planck. Kompreno de la universo antaŭ ĝia aĝo de 1 tempo de Planck postulas teorion de kvantuma gravito, kiu kunigas kvantumajn efikojn kun ĝenerala relativeco, ĉi tia teorio ankoraŭ ne estas kreita.


La hodiaŭa universo havas jenajn propraĵojn en unuoj de Planck:

Trajto de la hodiaŭa universo La kvanto en SI-aj unuoj La kvanto en unuoj de Planck
Aĝo de la universo 4,3·1017 sekundoj 8,0·1060 tP
Diametro de videbla universo 8,7·1026 metroj 5,4·1061 lP
Maso de videbla universo 3·1052 kilogramoj (kalkulante nur steloj) (1080 protonoj (iam sciata kiel la nombro de Eddington)) Proksimume 1060 mP
Temperaturo de kosma mikroonda fona radiado 2,725 kelvinoj 1,9·10-32 TP

La plurfoja apero de la granda nombro 1060 en ĉi tiuj karakterizoj de la hodiaŭa universo estas koincido kiu intrigas iujn teoriistojn. Ĝi estas ekzemplo de iu speco de nombrega koincido kiu gvidis teoriistojn al ellaboro de alternativaj fizikaj teorioj.

Ekspliko pri proksimuma koincido de la aĝo kaj la diametro povas esti tia ke en komenco de epoko de Planck je aĝo de proksimume 1 tempo de Planck la universo havis diametron de proksimume 1 longo de Planck, kaj post ĝi kreskis je proksimume 1 rapido de Planck.

Aliaj eblaj normaligoj[redakti | redakti fonton]

La unuoj de Planck estas derivitaj de normigo al 1 de ciferecaj valoroj de certaj fundamentaj konstantoj. Ĉi tiuj normaligoj estas tamen ne sola ebla varianto. La elekto de tio kiujn faktorojn ununormigi, inter la faktoroj aperantaj en la fundamentaj fizikaj ekvacioj, estas ne evidenta, kaj la valoroj de la unuoj dependas de ĉi tiu elekto.

La faktoro estas en multaj fizikaj leĝoj kiel surfaca areo de unuobla sfero (sfero de radiuso 1), kaj aperas en konsidero de sfere simetriaj okazoj. Ekzemple, gravita kaj elektrostatika kampoj produktitaj per punkta partiklo havas sferan simetrion kaj tiel la fluo de gravita aŭ elektrostatika kampo je distanco 1 de la partiklo estas kalkulata tra areo . Se spaco havus pli multajn dimensioj, la faktoro devus esti alia ol (vidu en sfero).

Kun ĉi tiu faktoro estas ligitaj jenaj eblaj alternativaj normaligoj:

Tiam faktoro malaperus el ekvacioj de Maxwell kaj la unuo de impedanco ZP egalus al karakteriza impedanco de libera spaco Z0. Sed tiam faktoro 1/(4π) aperus en kulomba leĝo.

En 1899, neŭtona leĝo de gravito estis ankoraŭ konsiderata kiel fundamenta, sed ne kiel oportuna proksimumado vera nur por sufiĉe malgrandaj rapidoj kaj distancoj, ĉar prezentanta la alian vidpunkton ĝenerala relativeco aperis nur en 1915. Pro ĉi tio Planck normigis al 1 la gravitan konstanton G en neŭtona leĝo de gravito. En teorioj aperintaj post 1899, G preskaŭ ĉiam aperas multiplikita per , simile al la elektrostatika leĝo. Laŭ la gaŭsa leĝo por gravito, fluo de gravita kampo tra fermita surfaco estas Φg = -4πGm. Pro ĉi tio ebla varianto eblas fari normigon 4πG = 1

Ĉi tio devus elimini la faktoron 4πG aperantan en:

La karakteriza impedanco de gravita radiado en libera spaco, Z0 = 4πG/c.[2] La c en la denominatoro estas pro antaŭdiro de la ĝenerala relativeco ke gravita radiado propagas je la lumrapideco;
La gravitoelektromagnetaj (GEM) ekvacioj, kiuj estas veraj en malfortaj gravitaj kampoj aŭ loke ebena spaco-tempo. Ĉi tiuj ekvacioj havas la saman formon kiel ekvacioj de Maxwell kaj la lorenca forta ekvacio de elektromagnetismo, kun masa denseco anstataŭ ŝarga denseco, kaj kun 1/4πG anstataŭ ε0.

Tamen, ĉi tio devus aldoni faktoron 1/(4π) en la leĝo de universala gravito.

La ejnŝtejnaj kampaj ekvacioj, ejnŝtejno-hilberta ago, ekvacioj de Friedmann, ekvacio de Poisson por gravito enhavas faktoron 8πG. Unuoj de Planck modifitaj tiel ke 8πG = 1 estas sciata kiel malpligrandigitaj unuoj de Planck, ĉar la maso de Planck estas tiam dividita per \sqrt{8\pi}.

Ĉi tiu devus elimini la konstanton c4/(16πG) de la ejnŝtejno-Hilberta ago. La ejnŝtejnaj kampaj ekvacioj kun kosmoscienca konstanto Λ estus de formo Rμν - Λgμν = (Rgμν - Tμν)/2.


Iuj la aliaj eblaj alternativaj normaligoj (ne ligitaj kun ) estas:

Ĉi tiu devus la faktoro de 1/2 en la ekvacio de la varmeca energio por partiklo kun unu grado de libereco, sed aldonus faktoron 2 en la entropian formulon de Boltzmann.

Historio[redakti | redakti fonton]

La unua sistemo de naturaj mezurunuoj aperis en 1881 de George Johnstone Stoney, en tiu sistemo unuoj de longo, tempo, kaj maso, nomataj kiel unuoj de Stoney, estis ricevitaj per ununormigo de G, c kaj la elementa elektra ŝargo e. Stoney estis ankaŭ la unua kiu faris hipotezon ke elektra ŝargo estas kvantumita kaj de ĉi tie vidis fundamentan signifon de e. Max Planck unue skribis pri siaj bazaj unuoj escepte de qP en papero prezentita al la Prusa Sciencakademio en majo de 1899. Ĉi tiu papero ankaŭ inkluzivas la unuan aperon de konstanto de Planck signifitan tie kiel b, kaj poste signifitan kiel h. La papero donis ciferecajn valorojn por la bazaj unuoj de Planck per kutimaj en tiu tempo mezurunuoj, la valoroj estis rimarkinde proksimaj al la nune sciataj. Ne estas certa scio kiel Planck venis al esploro de ĉi tiuj unuoj ĉar lia papero ne donis algebrajn detalojn.

Paul Dirac en 1937, kaj la aliaj post li, faris hipotezojn ke iuj fizikaj parametroj, kutime sciataj kiel fizikaj konstantoj, povas reale ŝanĝiĝi kun tempo.

Vidu ankaŭ[redakti | redakti fonton]

Referencoj[redakti | redakti fonton]

  1. 1,0 1,1 1,2 Fundamentaj fizikaj konstantoj je NIST
  2. http://arxiv.org/abs/0710.1378v4

Eksteraj ligiloj[redakti | redakti fonton]