Planck-Einheiten
Die Planck-Einheiten sind physikalische Maßeinheiten. Das System dieser Einheiten wurde zuerst von Max Planck entwickelt. Die Definition der fünf Basis-Planck-Einheiten basiert nur auf fünf in der Natur vorkommenden physikalischen Konstanten. Wenn Planck-Einheiten verwendet werden, um eine dieser fünf physikalischen Konstanten auszudrücken, ist der Wert 1. Dies ermöglicht es den Physikern, viele Gleichungen über physikalische Gesetze zu vereinfachen. Planck schlug diese Einheiten 1899 vor. Sie sind auch als natürliche Einheiten bekannt, weil der Ursprung ihrer Definition nur von Eigenschaften der Natur und nicht von irgendeinem menschlichen Konstrukt herrührt. Planck-Einheiten sind nur ein System von natürlichen Einheiten unter anderen Systemen. Sie gelten als einzigartig, weil diese Einheiten nicht auf Eigenschaften irgendeines prototypischen Objekts oder Teilchens (die willkürlich gewählt werden würden), sondern nur auf Eigenschaften des freien Raums basieren. Die Konstanten, die Planck-Einheiten per Definition auf 1 normieren, sind die:
- Gravitationskonstante, G;
- Reduzierte Planck-Konstante, ħ;
- Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, c;
- Coulomb-Konstante, 1 4 π ε 0 {\darstellungsstil \Textart {\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}}
(manchmal ke oder k); - Boltzmann-Konstante, kB (manchmal k).
Jede dieser Konstanten kann mit mindestens einer grundlegenden physikalischen Theorie in Verbindung gebracht werden: c mit der Speziellen Relativitätstheorie, G mit der Allgemeinen Relativitätstheorie und dem Newtonschen Gesetz der universellen Gravitation, ħ mit der Quantenmechanik, ε0 mit der Elektrostatik und kB mit der Statistischen Mechanik und Thermodynamik. Planck-Einheiten sind für die theoretische Physik sehr wichtig, da sie mehrere wiederkehrende algebraische Ausdrücke des physikalischen Gesetzes vereinfachen. Sie sind besonders relevant für die Forschung zu vereinheitlichten Theorien wie der Quantengravitation.
Planck-Einheiten werden von Physikern manchmal halbwegs humorvoll als "Einheiten Gottes" bezeichnet. Sie eliminieren die auf den Menschen zentrierte Willkür aus dem Einheitensystem: Einige Physiker argumentieren, dass die Kommunikation mit außerirdischer Intelligenz ein solches System von Einheiten benutzen müsste, um einen gemeinsamen Bezug zum Maßstab herzustellen. Anders als Meter und Sekunde, die aus historischen Gründen (in der Geschichte der Menschheit) als grundlegende Einheiten im SI-System existieren, sind die Planck-Länge und die Planck-Zeit auf einer grundlegenden physikalischen Ebene konzeptionell miteinander verbunden.
Natürliche Einheiten helfen den Physikern, Fragen neu zu formulieren. Frank Wilczek bringt dies kurz und bündig auf den Punkt:
...Wir sehen, dass die [gestellte] Frage nicht lautet: "Warum ist die Schwerkraft so schwach", sondern: "Warum ist die Masse des Protons so klein? Denn in natürlichen (Planck-)Einheiten ist die Stärke der Schwerkraft einfach das, was sie ist, eine primäre Größe, während die Masse des Protons die winzige Zahl [1/(13 Quintillion)] ist...
- June 2001 Physik heute
Die Stärke der Schwerkraft ist einfach das, was sie ist, und die Stärke der elektromagnetischen Kraft ist einfach das, was sie ist. Die elektromagnetische Kraft wirkt auf eine andere physikalische Größe (elektrische Ladung) als die Schwerkraft (Masse), so dass sie nicht direkt mit der Schwerkraft verglichen werden kann. Zu beachten, dass die Schwerkraft eine extrem schwache Kraft ist, ist vom Standpunkt der Planck-Einheiten aus gesehen wie der Vergleich von Äpfeln und Orangen. Es stimmt, dass die elektrostatische Abstoßungskraft zwischen zwei Protonen (allein im freien Raum) die Anziehungskraft der Schwerkraft zwischen denselben beiden Protonen bei weitem übersteigt, und zwar deshalb, weil die Ladung auf den Protonen ungefähr der Planck-Ladungseinheit entspricht, die Masse der Protonen jedoch weit, weit geringer ist als die Planck-Masse.
Fragen und Antworten
F: Was sind Planck-Einheiten?
A: Planck-Einheiten sind physikalische Maßeinheiten, die zuerst von Max Planck entwickelt wurden und auf vier in der Natur vorkommenden physikalischen Konstanten basieren. Wenn Sie eine dieser vier physikalischen Konstanten ausdrücken, ist der Wert 1.
F: Worauf basieren die vier grundlegenden Planck-Einheiten?
A: Die vier grundlegenden Planck-Einheiten basieren nur auf vier physikalischen Konstanten, die in der Natur vorkommen. Dazu gehören die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (c), die Gravitationskonstante (G), die reduzierte Planck-Konstante (ħ) und die Boltzmann-Konstante (kB).
F: Warum nennt man sie natürliche Einheiten?
A: Sie werden als natürliche Einheiten bezeichnet, weil sie nur aus Eigenschaften der Natur und nicht aus einem menschlichen Konstrukt stammen.
F: Wie helfen die natürlichen Einheiten den Physikern?
A: Natürliche Einheiten helfen Physikern, verschiedene wiederkehrende algebraische Ausdrücke physikalischer Gesetze zu vereinfachen und Fragen neu zu formulieren. Sie eliminieren auch die menschliche Willkür aus dem System der Einheiten.
F: Mit welchen Theorien ist jede dieser Konstanten mit mindestens einer grundlegenden physikalischen Theorie verbunden?
A: c ist mit der speziellen Relativitätstheorie verbunden, G mit der allgemeinen Relativitätstheorie und dem Newtonschen Gesetz der universellen Gravitation, ħ mit der Quantenmechanik, ε0 mit der Elektrostatik und kB mit der statistischen Mechanik und der Thermodynamik.
F: Warum werden Planck-Einheiten manchmal halb scherzhaft als "Gotteseinheiten" bezeichnet?
A: Sie können als "Gotteseinheiten" bezeichnet werden, weil sie die menschliche Willkür aus dem Einheitensystem eliminieren und einige Physiker argumentieren, dass die Kommunikation mit außerirdischer Intelligenz ein solches Einheitensystem verwenden müsste, um einen gemeinsamen Bezug zum Maßstab herzustellen.
