普朗克單位制

普朗克单位是物理计量单位。这些单位的系统是由马克斯-普朗克首先制定的。五个基本普朗克单位的定义只基于自然界中发现的五个物理常数。当用普朗克单位来表示这五个物理常数中的任何一个时,其值都是1,这使得物理学家可以简化许多关于物理规律的方程式。普朗克在1899年提出了这些单位。它们也被称为自然单位,因为其定义的来源只是来自于自然界的属性,而不是来自于任何人类的构造。普朗克单位只是其他自然单位系统中的一个系统。它们被认为是独一无二的,因为这些单位不是基于任何原型物体或粒子的属性(那将是任意选择的),而是只基于自由空间的属性。普朗克单位,根据定义,归一化为1的常数是:。

  • 引力常数G
  • 减少普朗克常数ħ
  • 真空中的光速c
  • 库仑常数,1 4 πε 0 {displaystyle {textstyle {frac {1}{4pi {varepsilon _{0}}}}}。{\displaystyle \textstyle {\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}}(有时为kek)。
  • 玻尔兹曼常数,kB(有时为k)。

这些常数中的每一个都可以与至少一个基本物理理论相关联:c狭义相对论相关联,G与广义相对论和牛顿万有引力定律相关联,ħ量子力学相关联ε0静电学相关联kB与统计力学和热力学相关联。普朗克单位对理论物理学非常重要,因为它们简化了物理定律的几个反复代数表达式。它们在研究统一理论(如量子引力)时尤为重要。

普朗克单位有时可能被物理学家半幽默地称为"上帝的单位"。它们从单位系统中消除了以人为中心的随意性:一些物理学家认为,与地外智慧的交流必须使用这样的单位系统来共同参照尺度。与由于历史原因(在人类历史上)作为SI系统中的基本单位存在的不同,普朗克长度和普朗克时间在概念上是在基本物理层面上联系在一起的。

自然单位可以帮助物理学家重新定义问题。弗兰克-威尔塞克(Frank Wilczek)简明扼要地指出了这一点。

.我们看到,[提出的]问题不是"为什么引力如此微弱?"而是"为什么质子的质量如此小?"因为在自然(普朗克)单位中,重力的强度根本就是它的本质,是一个初级量,而质子的质量是微小的数字[1/(13五百万)]......。

-2001年6月《今日物理学》杂志。

地心引力的强度只是它的本质,电磁力的强度只是它的本质。电磁力的工作原理与重力的物理量(电荷)不同(质量),所以不能直接与重力相比。如果指出重力是一种极弱的力,从普朗克单位的角度来看,就像比较苹果和橘子一样。的确,两个质子(单独在自由空间)之间的静电排斥力大大超过了同样两个质子之间的引力吸引力,这是因为质子上的电荷大约是普朗克电荷单位,但质子的质量却远远小于普朗克质量。

问题和答案

问:什么是普朗克单位?
答:普朗克单位是由马克斯-普朗克根据自然界中的四个物理常数首次提出的物理测量单位。当用来表示这四个物理常数中的任何一个时,其数值为1。

问:四个基本普朗克单位是基于什么?
答:四个基本普朗克单位只基于在自然界发现的四个物理常数,其中包括真空中的光速(c),引力常数(G),还原普朗克常数(ħ)和玻尔兹曼常数(kB)。

问:为什么它们被称为自然单位?
答:它们被称为自然单位,因为它们只来自自然界的属性,而不是来自任何人类的构造。

问:自然单位如何帮助物理学家?
答:自然单位帮助物理学家简化了物理规律的几个重复的代数表达,并重新构建了问题。它们还能从单位系统中消除以人为中心的任意性。

问:这些常数中的每一个都至少有一个基本物理理论与之相关?
答:c与狭义相对论有关,G与广义相对论和牛顿万有引力定律有关,ħ与量子力学有关,ε0与静电学有关,kB与统计力学和热力学有关。

问:为什么普朗克单位有时被半幽默地称为 "上帝的单位"?
答:它们可能被称为 "上帝的单位",因为它们消除了单位系统中以人为中心的任意性,一些物理学家认为,与外星智能体的交流必须使用这样的单位系统,以便共同参考尺度。

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