Планковские единицы

Планковские единицы — это система единиц измерения, основанная на фундаментальных физических константах, предложенная немецким физиком Максом Планком в 1899 году. Эти единицы были разработаны для того, чтобы выразить физические величины, такие как масса, длина, время, температура и другие, используя только универсальные и фундаментальные константы природы. Система Планковских единиц использует константы, такие как скорость света $c$ , постоянная гравитационная $G$ , постоянная Больцмана $k_{B}$ , и другие.

Зачем были введены Планковские единицы?

Планковские единицы важны для того, чтобы описать физические явления в крайних условиях, например, в области квантовой гравитации или при высоких энергиях, когда традиционные системы единиц, такие как международная система (СИ), не совсем удобны. Планковские единицы представляют собой набор величин, которые не зависят от конкретных физических объектов или измерительных систем и выражают единичные значения для основных физических величин.

С помощью Планковских единиц можно выразить многие фундаментальные физические процессы с использованием "естественных" масштабов, что упрощает математическое описание теорий, таких как квантовая механика, общая теория относительности и теория поля.

Основные Планковские единицы

Система Планковских единиц включает в себя следующие основные величины:

Планковская длина ( $l_{P}$ ) — это минимальная длина, на которой могут проявляться квантовые эффекты гравитации. Это длина, на которой пространственно-временная структура может изменяться в квантовом масштабе. Она выражается как:

$l_{P} = \sqrt{\frac{G ℏ}{c^{3}}}$

где:

Числовое значение: $l_{P} \approx 1.616 \times 1 0^{- 35} м$ .

$G$ — постоянная гравитационная,

$ℏ$ — редуцированная постоянная Планка,

$c$ — скорость света.

Планковская масса ( $m_{P}$ ) — это масса, при которой гравитационные эффекты начинают иметь важное значение на квантовом уровне. Планковская масса является характерной для объектов, на которых проявляются как квантовые эффекты, так и гравитационные. Она выражается как:

$m_{P} = \sqrt{\frac{ℏ c}{G}}$

где:

Числовое значение: $m_{P} \approx 2.176 \times 1 0^{- 8} кг$

$ℏ$ — редуцированная постоянная Планка,

$c$ — скорость света,

$G$ — постоянная гравитационная.

Планковское время ( $t_{P}$ ) — это время, которое требуется для того, чтобы свет преодолел расстояние в одну Планковскую длину. Это время является характерным для процессов, происходящих в планковском масштабе, например, при квантовых флуктуациях пространства-времени:

$t_{P} = \frac{l_{P}}{c}$
Числовое значение: $t_{P} \approx 5.391 \times 1 0^{- 44} с$
Планковская температура ( $T_{P}$ ) — это температура, при которой гравитационные эффекты начинают взаимодействовать с квантовыми эффектами на уровне энергии. Это максимальная температура, при которой пространство-время ещё не теряет свою структуру:

$T_{P} = \frac{m_{P} c^{2}}{k_{B}}$
где:

Числовое значение: $T_{P} \approx 1.416 \times 1 0^{32} K$

$k_{B}$ — постоянная Больцмана.

Планковская энергия ( $E_{P}$ ) — это энергия, связанная с Планковской массой. Это величина, при которой энергия квантовых частиц становится настолько велика, что начинает проявляться квантовая гравитация:

$E_{P} = m_{P} c^{2}$

Числовое значение: $E_{P} \approx 1.956 \times 1 0^{9} J$

Преимущества использования Планковских единиц

Естественные масштабы: Планковские единицы предоставляют "естественные" масштабные величины для фундаментальных процессов, таких как гравитация, электромагнитные взаимодействия и квантовые явления. Эти единицы выражают физические величины без явной зависимости от человеческих измерительных систем (например, от СИ).
Универсальность: Планковские единицы универсальны и используются во многих областях физики, таких как квантовая гравитация, теория струн и другие теории, пытающиеся объединить общую теорию относительности с квантовой механикой.
Упрощение уравнений: Использование Планковских единиц позволяет избавиться от множества физических констант в уравнениях, поскольку они выражены в виде единичных значений в этой системе. Это упрощает многие математические выкладки и модели, так как основные физические константы становятся единичными.
Преодоление сингулярностей: В теории квантовой гравитации и при моделировании процессов в области, где гравитация становится столь сильной, что её нельзя игнорировать, Планковские единицы помогают описать "пределы", при которых традиционные теории, такие как общая теория относительности, начинают ломаться.

Применение в различных областях физики

Квантовая гравитация: В теориях квантовой гравитации, таких как теория струн, планковские единицы часто используются для описания взаимодействий, при которых необходимо учитывать как квантовые, так и гравитационные эффекты. Планковская длина и планковская масса, например, используются для определения масштаба пространства-времени в микроскопических масштабах, где проявляются эффекты квантовой гравитации.
Черные дыры: Планковская масса и энергия используются для характеристики размеров и энергий, которые могут быть достигнуты в центрах черных дыр или на стадии формирования новых черных дыр.
Космология: В космологии планковские единицы помогают понять условия, существовавшие в первые моменты времени после Большого взрыва. Например, планковская температура представляет собой температуру, которая существовала в первые мгновения Вселенной.
Теория струн: В теории струн, которая пытается объединить все фундаментальные взаимодействия (гравитацию, электромагнетизм и слабое и сильное взаимодействия), планковские единицы являются важным инструментом для понимания масштабов и структур, которые возникают в многомерных пространствах.

Заключение

Планковские единицы — это система единиц, основанная на фундаментальных физических константах, которая позволяет описывать физические процессы в их "естественном масштабе". Эти единицы являются важными для теорий, которые описывают экстремальные условия, такие как квантовая гравитация и большие энергии, где традиционные единицы измерений не могут дать полного представления. Планковские единицы служат важным инструментом для физиков, работающих в области теории струн, квантовой гравитации и других высокоуровневых теорий, и являются основой для дальнейших исследований в фундаментальной физике.

Нашли ошибку? Сообщите нам!
Материал распространяется по лицензии Creative Commons Zero

Поделись статьей с друзьями!