İçeriğe atla

Planck birimleri

Planck birimleri, aşağıdaki listede de gösterilen gibi SI tarafından kabul edilen ve yedi temel birimden 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, SI'da anılan SI olmayan birimlerde 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;

ve

Planck, yalnızca, evrensel sabitlerdeki G, h, c ve kB (doğal birimlere bakın) ve Tomilin temel birimlerini dikkate aldı.[1] Planck, hiçbir elektromanyetik birimi benimsemedi. Planck birimlerinin bir doğal genelleştirilmesi (4πε0)−1 =1 biçimindedir.[2]

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 kB, istatistiksel mekanik ve termodinamik ile ilgilidir.

Dünya dışı yaşam olduğunu savunan bazı fizikçiler bir birimler sisteminin anlaşılabilmesi için çalışma yapıyor.[3] 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;

Şöyle de ifade edilebilir;

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;

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[4]
Bir vakumdaki ışık hızıcL T −12,99792458×108 m s−1
(metre olarak tam ifadesi)
Kütle çekimi sabitiGL3 M−1 T −26,67384(80) × 10−11 m³kg−1 s−2
İndirgenmiş Planck sabitiħ = h/2π
h, Planck sabitidir
L2 M T −11,054571726(47) × 10−34 J s
Coulomb sabiti (4πε0)−1
ε0, Yalıtkanlık sabitidir
L3 M T −2 Q−28.9875517873681764×10^9 kg m³ s−2 C−2
(amper ve metre olarak tam ifadesi)
Boltzmann sabitikBL2 M T −2 Θ−11,3806488(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:

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[4] (SI birimleri) |- align="left" | Planck uzunluğu | Uzunluk (L) | | 1.616 199(97) × 10−35 m[5] |- | Planck kütlesi | Kütle (M) | | 2.176 51(13) × 10−8 kg[6] |- | Planck zamanı | Zaman (T) | | 5.391 06(32) × 10−44 s[7] |- | Planck yükü | Elektriksel yük (Q) | | 1.875 545 956(41) × 10−18 C[8][9][10] |- | Planck sıcaklığı | Sıcaklık (Θ) | | 1.416 833(85) × 1032 K[11] |}

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
Planck alanıAlan (L2) 2.61223 × 10−70 m2
Planck hacmiHacim (L3) 4.22419 × 10−105 m3
Planck momentumuMomentum (LMT−1) 6.52485 kg m/s
Planck enerjisiEnerji (L2MT−2) 1.9561 × 109 J
Planck kuvvetiKuvvet (LMT−2) 1.21027 × 1044 N
Planck gücüGüç (L2MT−3) 3.62831 × 1052 W
Planck yoğunluğuYoğunluk (L−3M) 5.15500 × 1096 kg/m3
Planck açısal frekansıAçısal frekans (T−1) 1.85487 × 1043 s−1
Planck basıncıBasınç (L−1MT−2) 4.63309 × 10113 Pa
Planck akımıElektrik akımı (QT−1) 3.4789 × 1025 A
Planck gerilimiGerilim (L²MT−2Q−1) 1.04295 × 1027 V
Planck empedansıDirenç (L2MT−1Q−2) 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 boyutsuzlaştırma 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
Genel görelilikteki Einstein alan denklemleri
Özel görelilik E=mc²
Enerji-momentum ilişkisi
Termal enerji bölü parçacık bölü serbestlik derecesi
Boltzmann entropi formülü
Enerji ve açısal frekans için Planck sabiti
Kara cisim için T sıcaklığındaki Planck kanunu (yüzey şiddeti bölü birim katı açı bölü birim açısal frekans).
Stefan–Boltzmann sabiti (σ) ifadesi
BekensteinHawking kara delik entropisi[12]
Schrödinger denklemi
Schrödinger denkleminin Hamilton biçimi
Dirac denkleminin kovaryans biçimi
Coulomb yasası
Maxwell denklemleri





İrdeleme

Bazı Planck birimlerinin günlük yaşamda büyüklük ölçümleri için kullanılabilirler: Örneğin

Tablo 5: Planck birimlerinde günümüz evreni
Evrenin
mevcut özelliği
Planck birimlerinin
yaklaşık değeri
Eşdeğerleri
Yaş8,0 × 1060 tP4,3 × 1017 s veya 13,7 × 109 yaş
Çapı5,4 × 1061 lP8,7 × 1026 m veya 9,2 × 1010 ışık yılı
Kütleyaklaşık 1060 mP3 × 1052 kg veya 1,5 × 1022 güneş kütlesi (yalnız sayılan yıldızlar)
1080 proton (Eddington sayısı olarak da bilinir)
Sıcaklık 1,9 × 10−32 TP2,725 K
kozmik mikrodalga arka plan ışıması sıcaklığı
Kozmolojik sabit5,6 × 10−122 tP−21,9 × 10−35 s−2
Hubble sabiti1,23 × 10−61 tP−170,4 (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 Stoney birimleri 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.[1][13] 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 olarak kullanılıyor olsa bile, makalesinde bunu b ile ifade etti. Planck yeni birim sisteminin evrenselliğini altını çizerek şöyle gösterdi: Şablon:Bq 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 değişken ışık hızı). 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" [14] şeklinde bir soru sordu Michael Duff makalesinde.

Ayrıca bakınız

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 arşivlendi.", 287-296.
  2. ^ Pavšic, Matej (2001). The Landscape of Theoretical Physics: A Global View. Dordrecht: Kluwer Academic. ss. 347-352. ISBN 0-7923-7006-6. 14 Temmuz 2020 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 25 Şubat 2013. 
  3. ^ Michael W. Busch, Rachel M. Reddick (2010) "Testing SETI Message Designs, 2 Ekim 2013 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi." Astrobiology Science Conference 2010 22 Şubat 2013 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi., April 26–29, 2010, League City, Texas.
  4. ^ a b "Fundamental Physical Constants from NIST". 13 Ağustos 2001 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 25 Şubat 2013. 
  5. ^ "CODATA — Planck length". 22 Kasım 2018 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Kasım 2017. 
  6. ^ "CODATA — Planck mass". 13 Eylül 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Kasım 2017. 
  7. ^ "CODATA — Planck time". 1 Temmuz 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Kasım 2017. 
  8. ^ "CODATA — electric constant". 23 Nisan 2007 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Kasım 2017. 
  9. ^ "CODATA — Planck constant over 2 pi". 11 Haziran 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Kasım 2017. 
  10. ^ "CODATA — speed of light in vacuum". 25 Haziran 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Kasım 2017. 
  11. ^ "CODATA — Planck temperature". 13 Mayıs 2016 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 5 Kasım 2017. 
  12. ^ Also see Roger Penrose (1989) The Road to Reality. Oxford Univ. Press: 714-17. Knopf.
  13. ^ Planck (1899), p. 479.
  14. ^ Michael Duff (2002). "Comment on time-variation of fundamental constants" 7 Şubat 2017 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.

Dış bağlantılar

İlgili Araştırma Makaleleri

<span class="mw-page-title-main">Kütle çekimi sabiti</span> nesneler arasındaki yerçekimi kuvvetini kütleleri ve mesafeleriyle ilişkilendiren fiziksel sabit

Kütleçekim sabiti MKS sisteminde yaklaşık 6,67x10ˉ¹¹ değerine sahiptir ve de G harfi ile gösterilir.

Fizikte Planck uzunluğu (ℓP), Planck birimleri olarak bilinen doğal birimler sisteminde uzunluk birimidir ve vakumda ışık hızı ile Planck zamanı çarpımına eşittir.

Fizikte Planck zamanı (tP), Planck birimleri olarak bilinen doğal birimler sisteminde zaman birimidir. Işığın bir vakumda bir Planck uzunluğu mesafesini kat ettiği süredir. Birim, onu ilk kullanan Max Planck'ten sonra adlandırılmıştır.

Fizikte Planck enerjisi (EP), Planck birimleri olarak bilinen doğal birimler sisteminde enerji birimidir.

Fizikte Planck kütlesi (mP), Planck birimleri olarak bilinen doğal birimler sisteminde kütle birimidir.

Fizikte Planck yoğunluğu (ρP), Planck birimleri olarak bilinen doğal birimler sisteminde yoğunluk birimidir.

Fizikte Planck yükü, Planck birimleri olarak bilinen doğal birimler sisteminde elektriksel yük birimidir ve boyutsuz fiziksel sabit olarak tanımlanır.

<span class="mw-page-title-main">Planck akımı</span>

Fizikte Planck akımı (IP), Planck birimleri olarak bilinen doğal birimler sisteminde elektrik akımı birimidir.

Planck sıcaklığı (TP), Planck birimleri olarak bilinen doğal birimler sisteminde sıcaklık birimidir.

Planck kuvveti (FP), Planck birimleri olarak bilinen doğal birimler sisteminde kuvvet birimidir.

<span class="mw-page-title-main">Planck basıncı</span>

Planck basıncı (pP), Planck birimleri olarak bilinen doğal birimler sisteminde basınç birimidir.

Planck gerilimi (VP), Planck birimleri olarak bilinen doğal birimler sisteminde gerilim birimidir.

Planck empedansı (ZP), Planck birimleri olarak bilinen doğal birimler sisteminde elektrik direnci birimidir. Planck empedansı, doğrudan boşluğun empedansına (Z0) bağlıdır ve değeri Z0 bölü 4πdir. Vakum yalıtkanlık sabiti ε0'ı normalleştirmek için, Planck empedansı yerine Coulomb sabiti (1/(4πε0)) değil de Planck yükü kullanılır. Böylece Planck empedansı vakumun empedansının karakteristiğini tanımlayabilir.

Planck momentumu, Planck birimleri olarak bilinen doğal birimler sisteminde momentum birimidir. Aslında Planck momentumuna ait özel sembol yoktur. Fakat ile gösterilir. , Planck kütlesi ve , bir vakumdaki ışık hızıdır.

Planck açısal frekansıP), Planck birimleri olarak bilinen doğal birimler sisteminde açısal frekans birimidir.

Fizikte doğal birimler, evrensel fizik sabitleri kullanılarak elde edilen ölçü birimleridir. Örneğin temel yük (e), elektriksel yük ve ışık hızı (c), hız için kullanılan doğal birimlerdir. Herhangi bir evrensel fizik sabitini 1 birim olarak normalleştirmek için yalnızca evrensel ölçü sistemi kullanılır. Her ne kadar bu şekilde basitleştirme avantaj gibi görülüyor olsa bile, fizik yasalarının matematiksel ifadesinden elde edilen bu sabitlerin anlaşılması biraz zor olabilir.

Compton dalgaboyu bir parçacığın kuantum mekaniği özelliğidir. Compton dalgaboyu Arthur Compton tarafından elektronların foton saçılması olayı izah edilirken gösterilmiştir. Bir parçacığın Compton dalga boyu; enerjisi parçacığın durgun kütle enerjisine eşit olan fotonun dalgaboyuna eşittir. Parçacığın Compton dalgaboyu ( λ) şuna eşittir:

Bohr yarıçapı bir fizik sabitidir. Hidrojen atomunun, protonu ve elektronu arasındaki mesafeye eşittir. Bohr yarıçapının, bir atomda Bohr atom modeli içindeki rolünden dolayı adlandırılmak istenmiştir. Fakat bu olay Niels Bohr'dan sonra gerçekleşmiştir. Uluslararası birimler sisteminde Bohr yarıçapı:

 : serbest uzayın elektriksel geçirgenliği
 : Planck sabiti
 : elektronun kütlesi
 : elemanter yük
 : ışık hızı sabiti
 : ince yapı sabiti

Modern kuantum (nicem) mekaniğinden önce gelen eski kuantum (nicem) kuramı, 1900 ile 1925 yılları arasında elde edilen sonuçların birikimidir. Bu kuramın, klasik mekaniğin ilk doğrulamaları olduğunu günümüzde anladığımız bu kuram, ilk zamanlar tamamlanmış veya istikrarlı değildi. Bohr modeli çalışmaların odak noktasıydı. Eski kuantum döneminde, Arnold Sommerfield, uzay nicemlenimi olarak anılan açısal momentumun (devinimin) z-bileşkesinde nicemlenim yaparak önemli katkılarda bulunmuştur. Bu katkı, electron yörüngelerinin dairesel yerine eliptik olduğunu ortaya çıkarmıştır ve kuantum çakışıklık kavramını ortaya atmıştır. Bu kuram, electron dönüsü hariç Zeeman etkisini açıklamaktadır.

İnce yapı sabiti ya da Sommerfeld sabiti (genelde α sembolüyle gösterilir), temel yüklü parçacıklar arasındaki elektromanyetik etkileşimim gücünü tanımlayan boyutsuz bir fiziksel sabittir. Temel yüklü bir parçacığın elektromanyetik alanla eşleşmesini ifade eden temel yükle (e) olan ilişkisi ε0ħcα = e2 formülüyle tanımlanmaktadır. Boyutsuz bir nicelik olduğundan, ölçü sistemi fark etmeksizin sayısal değeri yaklaşık 1/137'dir.