Planck birimleri

Planck birimleri, aşağıdaki listede de gösterilen gibi SI tarafından kabul edilen ve yedi türetilen fiziksel ölçü birimleridir. Bu yedi fiziksel sabit, eğer türetilen herhangi bir birimin sayısal değeri olarak kullanılırsa değeri 1 birim olur. Planck birimlerinin kuramsal fizikte derin anlamları vardır. Bunlar, fizik yasasının cebirsel ifadelerini, çok kolay biçimde basitleştirirler. Kuantum kütleçekimi gibi birleşik kuramların incelenmesi özel rol oynarlar.

1899'da Alman fizikçi Max Planck tarafından resmen önerildi. Bunlar doğal birimler olarak da bilinir. Çünkü tanımlarının kökeni yalnızca doğadan gelir, insanın elde edebileceği büyüklükler değillerdir. Planck birimleri, sınıflandırılan doğal birimlerdir. Fakat, bu birimler herhangi bir prototip nesne veya parçacığın bir özelliği olmaması için eşsiz olarak dikkate alınmışlardır, fakat vakumun bir özelliği olabilirler.

1 olarak normalleştirilen evrensel Planck birimleri ve sembolleri şunlardır;

• kütle çekim sabiti, G,
• indirgenmiş Planck sabiti, ħ,
• bir vakumdaki ışık hızı, c,
• Coulomb sabiti, (4πε₀)⁻¹ (bazen k_e veya k) ve

ve

• Boltzmann sabiti, k_B (bazen k).

Planck, yalnızca, evrensel sabitlerdeki G, h, c ve k_B (doğal birimlere bakın) ve Tomilin temel birimlerini dikkate aldı. Planck, hiçbir (elektromanyetik birimi) benimsemedi. Planck birimlerinin bir doğal genelleştirilmesi (4πε₀)⁻¹ =1 biçimindedir.

Bu sabitlerden her biri en az bir kuramsal fizik kavramı ile ilişkilidir: Örneğin; c, elektromanyetizma ve özel görelilik; G, genel görelilik ve Newton'ın evrensel kütleçekim yasası; ħ, kuantum mekaniği; ε₀, elektrostatik ve k_B, istatistiksel mekanik ve termodinamik ile ilgilidir.

Dünya dışı yaşam olduğunu savunan bazı fizikçiler bir birimler sisteminin anlaşılabilmesi için çalışma yapıyor. İnsan tarafından doğrudan kullanılabilen temel SI birimleri metre ve saniyenin aksine, Planck uzunluğu ve Planck zamanı, ancak belirli fiziksel seviyelerle ilişkilidir.

Temel Planck birimleri

Ölçü özellikli tüm temel birim sistemlerinde, örneğin SI'da uzunluk temel birimi metredir. Planck birimler sisteminde uzunluk birimi Planck uzunluğu, zaman birimi de Planck zamanıdır, vb. Bu birimler Tablo 1'deki beş adet boyutsal olan evrensel fizik sabitinden türetilmiştir. Bunun yöntemi, fiziksel nicelikler Planck birimi olarak ifade edildiğinde, fizik yasasının temel denklemleri kullanılarak sabitlerin eliminasyonudur. Örneğin Newton'ın evrensel kütleçekim yasası şöyledir;

${\displaystyle F=G{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}},}$

Şöyle de ifade edilebilir;

${\displaystyle {\frac {F}{F_{\text{P}}}}={\frac {\left(m_{1}/m_{\text{P}}\right)\left(m_{2}/m_{\text{P}}\right)}{\left(r/l_{\text{P}}\right)^{2}}}.}$

Her iki denklem de boyutsal olarak tutarlıdır ve herhangi bir birim sisteminde eşdeğerdir. Fakat ikinci denklemde G elendiğinden dolayı yalnızca boyutsuz niceliklerle ilgilidir. Çünkü iki benzer boyutlu niceliklerin oranı, boyutsuz bir nicelik olur. Eğer bir stenografi dönüşümü yapılırsa, tüm fiziksel niceliklerin Planck birimleri ile ifade edilebileceği görülebilir. Yukarıda orandaki ilgili birimler ölçeklenmeksizin, basit fiziksel sembollerle ifade edilebilir;

${\displaystyle F={\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}}\ .}$

Yukarıdaki birinci denklemde Gnin elenmesi sonucu elde edilen bu son denklemin anlaşılabilmesi için F, m₁, m₂ ve r niceliklerinin boyutsuz sayısal değerleri, Planck birimlerine dönüştürülmelidir. Planck birimlerinin ve diğer doğal birimlerin niçin kullanıldığının bir göstergesi; G = c = 1,

Tablo 1: Temel fizik sabitleri

Sabit	Sembol	Boyut	SI birimlerindeki kararsızlık değeri
Bir vakumdaki ışık hızı	c	L T ^−1	2,99792458×10^8 m s^−1 (metre olarak tam ifadesi)
Kütle çekimi sabiti	G	L^3 M^−1 T ^−2	6,67384(80) × 10^−11 m³kg^−1 s^−2
İndirgenmiş Planck sabiti	ħ = h/2π h, Planck sabitidir	L^2 M T ^−1	1,054571726(47) × 10^−34 J s
Coulomb sabiti	(4πε0)^−1 ε0, Yalıtkanlık sabitidir	L^3 M T ^−2 Q^−2	8.9875517873681764×10^^9 kg m³ s^−2 C^−2 (amper ve metre olarak tam ifadesi)
Boltzmann sabiti	kB	L^2 M T ^−2 Θ^−1	1,3806488(13) × 10^−23 J/K

Boyut sembolleri: L = uzunluk, M = kütle, T = zaman, Q = elektriksel yük, Θ = sıcaklık.
Not: Tabloda parantezler içindeki iki rakam, (örneğin yerçekimi sabiti değerindeki 80 sayısı) yaklaşık değerin standart hatasını verir.

Yukarıda da görüldüğü gibi her biri 1 Planck kütlesine sahip olan ve aralarında 1 Planck uzunluğu kadar mesafe olan iki cismin kütleçekim kuvvetine, 1 Planck kuvveti denir. Ayrıca ışık hızı, 1 Planck uzunluğundaki mesafeyi 1 Planck zamanında kat eder. Beş temel Planck biriminin büyüklük değerlerini SI veya diğer birim sistemlerini tanımlamak için, yukarıdaki iki denklem ve aşağıdaki beş denklem yeterlidir:

${\displaystyle l_{\text{P}}=ct_{\text{P}}}$

${\displaystyle F_{\text{P}}={\frac {m_{\text{P}}l_{\text{P}}}{t_{\text{P}}^{2}}}=G{\frac {m_{\text{P}}^{2}}{l_{\text{P}}^{2}}}}$

${\displaystyle E_{\text{P}}={\frac {m_{\text{P}}l_{\text{P}}^{2}}{t_{\text{P}}^{2}}}=\hbar {\frac {1}{t_{\text{P}}}}}$

${\displaystyle F_{\text{P}}={\frac {m_{\text{P}}l_{\text{P}}}{t_{\text{P}}^{2}}}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}{\frac {q_{\text{P}}^{2}}{l_{\text{P}}^{2}}}}$

${\displaystyle E_{\text{P}}={\frac {m_{\text{P}}l_{\text{P}}^{2}}{t_{\text{P}}^{2}}}=k_{\text{B}}T_{\text{P}}.}$

Bilinmeyen beş sonuç için yukarıdaki beş denklemin çözümü, Tablo 2'deki beş temel Planck birimini verir:

Tablo 2: Temel Planck birimleri

{{| class="wikitable" ! Boyut ! İfade ! Değer (SI birimleri) |- align="left" | Planck uzunluğu | Uzunluk (L) | ${\displaystyle l_{\text{P}}={\sqrt {\frac {\hbar G}{c^{3}}}}}$ | 1.616 199(97) × 10⁻³⁵m |- | Planck kütlesi | Kütle (M) | ${\displaystyle m_{\text{P}}={\sqrt {\frac {\hbar c}{G}}}}$ | 2.176 51(13) × 10⁻⁸kg |- | Planck zamanı | Zaman (T) | ${\displaystyle t_{\text{P}}={\frac {l_{\text{P}}}{c}}={\frac {\hbar }{m_{\text{P}}c^{2}}}={\sqrt {\frac {\hbar G}{c^{5}}}}}$ | 5.391 06(32) × 10⁻⁴⁴s |- | Planck yükü | Elektriksel yük (Q) | ${\displaystyle q_{\text{P}}={\sqrt {4\pi \varepsilon _{0}\hbar c}}}$ | 1.875 545 956(41) × 10⁻¹⁸C |- | Planck sıcaklığı | Sıcaklık (Θ) | ${\displaystyle T_{\text{P}}={\frac {m_{\text{P}}c^{2}}{k_{\text{B}}}}={\sqrt {\frac {\hbar c^{5}}{Gk_{\text{B}}^{2}}}}}$ | 1.416 833(85) × 10³²K |}

Türetilen Planck birimleri

Herhangi bir ölçü sisteminde, birçok fiziksel nicelik için türetilen birimler temel birimlerden elde edilmiştir. Tablo 3'te örnek olarak türetilen Planck birimleri verilmiştir. Bunlardan bazıları nadiren kullanılır.

Tablo 3: Türetilen Planck birimleri

Boyut	İfade	Yaklaşık SI eşdeğeri
	Alan (L^2)	${\displaystyle l_{\text{P}}^{2}={\frac {\hbar G}{c^{3}}}}$	2.61223 × 10^−70m^2
	Hacim (L^3)	${\displaystyle l_{\text{P}}^{3}=\left({\frac {\hbar G}{c^{3}}}\right)^{\frac {3}{2}}={\sqrt {\frac {(\hbar G)^{3}}{c^{9}}}}}$	4.22419 × 10^−105m^3
Planck momentumu	Momentum (LMT^−1)	${\displaystyle m_{\text{P}}c={\frac {\hbar }{l_{\text{P}}}}={\sqrt {\frac {\hbar c^{3}}{G}}}}$	6.52485 kg m/s
Planck enerjisi	Enerji (L^2MT^−2)	${\displaystyle E_{\text{P}}=m_{\text{P}}c^{2}={\frac {\hbar }{t_{\text{P}}}}={\sqrt {\frac {\hbar c^{5}}{G}}}}$	1.9561 × 10^9J
Planck kuvveti	Kuvvet (LMT^−2)	${\displaystyle F_{\text{P}}={\frac {E_{\text{P}}}{l_{\text{P}}}}={\frac {\hbar }{l_{\text{P}}t_{\text{P}}}}={\frac {c^{4}}{G}}}$	1.21027 × 10^44N
Planck gücü	Güç (L^2MT^−3)	${\displaystyle P_{\text{P}}={\frac {E_{\text{P}}}{t_{\text{P}}}}={\frac {\hbar }{t_{\text{P}}^{2}}}={\frac {c^{5}}{G}}}$	3.62831 × 10^52W
Planck yoğunluğu	Yoğunluk (L^−3M)	${\displaystyle \rho _{\text{P}}={\frac {m_{\text{P}}}{l_{\text{P}}^{3}}}={\frac {\hbar t_{\text{P}}}{l_{\text{P}}^{5}}}={\frac {c^{5}}{\hbar G^{2}}}}$	5.15500 × 10^96
Planck açısal frekansı	Açısal frekans (T^−1)	${\displaystyle \omega _{\text{P}}={\frac {1}{t_{\text{P}}}}={\sqrt {\frac {c^{5}}{\hbar G}}}}$	1.85487 × 10^43s^−1
Planck basıncı	Basınç (L^−1MT^−2)	${\displaystyle p_{\text{P}}={\frac {F_{\text{P}}}{l_{\text{P}}^{2}}}={\frac {\hbar }{l_{\text{P}}^{3}t_{\text{P}}}}={\frac {c^{7}}{\hbar G^{2}}}}$	4.63309 × 10^113Pa
Planck akımı	Elektrik akımı (QT^−1)	${\displaystyle I_{\text{P}}={\frac {q_{\text{P}}}{t_{\text{P}}}}={\sqrt {\frac {c^{6}4\pi \epsilon _{0}}{G}}}}$	3.4789 × 10^25A
Planck gerilimi	Gerilim (L²MT^−2Q^−1)	${\displaystyle V_{\text{P}}={\frac {E_{\text{P}}}{q_{\text{P}}}}={\frac {\hbar }{t_{\text{P}}q_{\text{P}}}}={\sqrt {\frac {c^{4}}{G4\pi \epsilon _{0}}}}}$	1.04295 × 10^27V
Planck empedansı	(L^2MT^−1Q^−2)	${\displaystyle Z_{\text{P}}={\frac {V_{\text{P}}}{I_{\text{P}}}}={\frac {\hbar }{q_{\text{P}}^{2}}}={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}c}}={\frac {Z_{0}}{4\pi }}}$	29.9792458 Ω

Fiziksel denklemleri basitleştirme

Zaman ve uzunluk gibi farklı boyutlara sahip fiziksel nicelikler, sayılar değerlere sahip olsalar bile eşleştirilemezler. Örneğin 1 saniye ile 1 metre aynı değildir. Fakat bu tereddüt kuramsal fizikte, bir tarafa bırakılır ve bu süreç olarak adlandırılır. Tablo 4, temel Planck birimlerinin sayısal değerlerinin nasıl elde edildiğini gösteriyor.

Tablo 4: Planck birimlerinin basitleştiren fiziksel denklemler

	SI biçimi	Boyutsuzlaştırılan biçim
Newton'ın evrensel kütleçekim yasası	${\displaystyle F=-G{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}}}$	${\displaystyle F=-{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}}}$
Genel görelilikteki Einstein alan denklemleri	${\displaystyle {G_{\mu \nu }=8\pi {G \over c^{4}}T_{\mu \nu }}\ }$	${\displaystyle {G_{\mu \nu }=8\pi T_{\mu \nu }}\ }$
Özel görelilik E=mc²	${\displaystyle {E=mc^{2}}\ }$	${\displaystyle {E=m}\ }$
	${\displaystyle E^{2}=m^{2}c^{4}+p^{2}c^{2}\;}$	${\displaystyle E^{2}=m^{2}+p^{2}\;}$
Termal enerji bölü parçacık bölü serbestlik derecesi	${\displaystyle {E={\tfrac {1}{2}}k_{\text{B}}T}\ }$	${\displaystyle {E={\tfrac {1}{2}}T}\ }$
Boltzmann formülü	${\displaystyle {S=k_{\text{B}}\ln \Omega }\ }$	${\displaystyle {S=\ln \Omega }\ }$
Enerji ve açısal frekans için Planck sabiti	${\displaystyle {E=\hbar \omega }\ }$	${\displaystyle {E=\omega }\ }$
Kara cisim için T sıcaklığındaki Planck kanunu (yüzey bölü birim bölü birim açısal frekans).	${\displaystyle I(\omega ,T)={\frac {\hbar \omega ^{3}}{4\pi ^{3}c^{2}}}~{\frac {1}{e^{\frac {\hbar \omega }{k_{\text{B}}T}}-1}}}$	${\displaystyle I(\omega ,T)={\frac {\omega ^{3}}{4\pi ^{3}}}~{\frac {1}{e^{\omega /T}-1}}}$
(σ) ifadesi	${\displaystyle \sigma ={\frac {\pi ^{2}k_{\text{B}}^{4}}{60\hbar ^{3}c^{2}}}}$	${\displaystyle \ \sigma =\pi ^{2}/60}$
Bekenstein–Hawking kara delik entropisi	${\displaystyle S_{\text{BH}}={\frac {A_{\text{BH}}k_{\text{B}}c^{3}}{4G\hbar }}={\frac {4\pi Gk_{\text{B}}m_{\text{BH}}^{2}}{\hbar c}}}$	${\displaystyle S_{\text{BH}}=A_{\text{BH}}/4=4\pi m_{\text{BH}}^{2}}$
Schrödinger denklemi	${\displaystyle -{\frac {\hbar ^{2}}{2m}}\nabla ^{2}\psi (\mathbf {r} ,t)+V(\mathbf {r} )\psi (\mathbf {r} ,t)=i\hbar {\dot {\psi }}(\mathbf {r} ,t)}$	${\displaystyle -{\frac {1}{2m}}\nabla ^{2}\psi (\mathbf {r} ,t)+V(\mathbf {r} )\psi (\mathbf {r} ,t)=i{\dot {\psi }}(\mathbf {r} ,t)}$
Schrödinger denkleminin Hamilton biçimi	${\displaystyle H\left|\psi _{t}\right\rangle =i\hbar \partial \left|\psi _{t}\right\rangle /\partial t}$	${\displaystyle H\left|\psi _{t}\right\rangle =i\partial \left|\psi _{t}\right\rangle /\partial t}$
Dirac denkleminin kovaryans biçimi	${\displaystyle \ (i\hbar \gamma ^{\mu }\partial _{\mu }-mc)\psi =0}$	${\displaystyle \ (i\gamma ^{\mu }\partial _{\mu }-m)\psi =0}$
Coulomb yasası	${\displaystyle F={\frac {1}{4\pi \epsilon _{0}}}{\frac {q_{1}q_{2}}{r^{2}}}}$	${\displaystyle F={\frac {q_{1}q_{2}}{r^{2}}}}$
Maxwell denklemleri	${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} ={\frac {1}{\epsilon _{0}}}\rho }$ ${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {B} =0\ }$ ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$ ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} ={\frac {1}{c^{2}}}\left({\frac {1}{\epsilon _{0}}}\mathbf {J} +{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}\right)}$	${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {E} =4\pi \rho \ }$ ${\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {B} =0\ }$ ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}$ ${\displaystyle \nabla \times \mathbf {B} =4\pi \mathbf {J} +{\frac {\partial \mathbf {E} }{\partial t}}}$

İrdeleme

Bazı Planck birimlerinin günlük yaşamda büyüklük ölçümleri için kullanılabilirler: Örneğin

• 1 Planck kütlesi yaklaşık 22 mikrogram;
• 1 Planck momentumu yaklaşık 6,5 kg m/s (veya );
• 1 Planck enerjisi yaklaşık ;
• 1 Planck yükü hemen hemen 11,7 temel yük;
• 1 Planck empedansı 30 ohma çok yakındır.

Tablo 5: Planck birimlerinde günümüz evreni

Evrenin mevcut özelliği	Planck birimlerinin yaklaşık değeri	Eşdeğerleri
Yaş	8,0 × 10^60tP	4,3 × 10^17 s veya 13,7 × 10^9 yaş
(Çapı)	5,4 × 10^61lP	8,7 × 10^26 m veya 9,2 × 10^10ışık yılı
(Kütle)	yaklaşık 10^60mP	3 × 10^52 kg veya 1,5 × 10^22güneş kütlesi (yalnız sayılan yıldızlar) (10^80 proton) ( olarak da bilinir)
Sıcaklık	1,9 × 10^−32TP	2,725 K kozmik mikrodalga arka plan ışıması sıcaklığı
Kozmolojik sabit	5,6 × 10^−122tP^−2	1,9 × 10^−35 s^−2
(Hubble sabiti)	1,23 × 10^−61tP^−1	70,4 (km/s)/Mpc

Tarihçe

1881'de George Johnstone Stoney, uzunluk, zaman ve kütle birimlerinin bağlı olarak elektriksel yükün sayısal olarak ifade edilebileceğini, fark ettiğinde doğal birimler ortaya çıktı. Stoney'e ithafen bunlar şimdi olarak adlandırılıyor. Bu birimler G, c ve elektron yükü (e), hepsi 1'e eşittir. 1898'da Max Planck, aksiyonun büyüklük olduğunu keşfetti ve Mayıs 1899'da bunu Prussian Academy of Sciences makalesinde yayımladı. Makalenin sonunda, Planck bunun bir keşif olduğunu açığa çıkardı. Böylece Plank'a ithafen birimlere Planck birimleri denildi. Planck birimleri kuantumun temelini oluşturdu. Planck birimlerinin temelini Planck sabiti oluşturuyor. Planck sabiti şimdi her ne kadar ${\displaystyle h}$ olarak kullanılıyor olsa bile, makalesinde bunu b ile ifade etti. Planck yeni birim sisteminin evrenselliğini altını çizerek şöyle gösterdi: Planck makalesinde temel birimler için bir de sayısal değer verdi ve bu değer modern değerlere yakındır.

Doğal Planck birimleri ve değişmez ölçeği

Paul Dirac gibi bazı fizikçiler kozmolojide fiziksel "sabitlerin" zamanla değişebileceğini varsayımını önerdi (örneğin ). Eğer bir fizik sabiti, ışık hızı gibi boyutsuz nicelik değilse, durum değişiminde onun tartışmasız fark edebilir miydik veya ölçebilir miydik? "Comment on time-variation of fundamental constants" şeklinde bir soru sordu Michael Duff makalesinde.

Ayrıca bakınız

• Boyut analizi
• Planck ölçeği
• Planck parçacığı
• Doğal birimler

Kaynakça

1. ^ ^{a b} *Tomilin, K. A., 1999, "Natural Systems of Units: To the Centenary Anniversary of the Planck System 17 Haziran 2006 tarihinde Wayback Machine sitesinde .", 287-296.
2. ^ Pavšic, Matej (2001). The Landscape of Theoretical Physics: A Global View. Dordrecht: Kluwer Academic. ss. 347-352. ISBN . 14 Temmuz 2020 tarihinde kaynağından . Erişim tarihi: 25 Şubat 2013. 
3. ^ Michael W. Busch, Rachel M. Reddick (2010) "Testing SETI Message Designs, 2 Ekim 2013 tarihinde Wayback Machine sitesinde ." Astrobiology Science Conference 2010 22 Şubat 2013 tarihinde Wayback Machine sitesinde ., April 26–29, 2010, League City, Texas.
4. ^ ^{a b} . 13 Ağustos 2001 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 25 Şubat 2013. 
5. ^ . 22 Kasım 2018 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Kasım 2017. 
6. ^ . 13 Eylül 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Kasım 2017. 
7. ^ "CODATA — Planck time". 1 Temmuz 2017 tarihinde kaynağından . Erişim tarihi: 5 Kasım 2017. 
8. ^ . 23 Nisan 2007 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Kasım 2017. 
9. ^ "CODATA — Planck constant over 2 pi". 11 Haziran 2017 tarihinde kaynağından . Erişim tarihi: 5 Kasım 2017. 
10. ^ . 25 Haziran 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Kasım 2017. 
11. ^ . 13 Mayıs 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Kasım 2017. 
12. ^ Also see Roger Penrose (1989) . Oxford Univ. Press: 714-17. Knopf.
13. ^ Planck (1899), p. 479.
14. ^ (2002). "Comment on time-variation of fundamental constants" 7 Şubat 2017 tarihinde Wayback Machine sitesinde .

Dış bağlantılar

• Value of the fundamental constants13 Ağustos 2001 tarihinde Wayback Machine sitesinde ., including the Planck base units, as reported by the National Institute of Standards and Technology (NIST).
• Sections C-E of collection of resources28 Şubat 2008 tarihinde Wayback Machine sitesinde . bear on Planck units. Good discussion of why 8πG should be normalized to 1 when doing ve . Many links.
• The universe and the parameters that describe it in Planck units 1 Aralık 2009 tarihinde Wayback Machine sitesinde . Pulls together various physics concepts into one unifying picture.