Unità di misura di Planck
Le unità di Planck sono unità di misura fisiche. Il sistema di queste unità è stato sviluppato per la prima volta da Max Planck. La definizione delle cinque unità di base di Planck si basa solo su cinque costanti fisiche che si trovano in natura. Quando le unità di Planck sono usate per esprimere una qualsiasi di queste cinque costanti fisiche, il valore è 1. Questo permette ai fisici di semplificare molte equazioni sulla legge fisica. Planck propose queste unità nel 1899. Esse sono anche conosciute come unità naturali perché l'origine della loro definizione deriva solo dalle proprietà della natura e non da un qualsiasi costrutto umano. Le unità di Planck sono solo un sistema di unità naturali tra gli altri sistemi. Sono considerate uniche, perché queste unità non si basano sulle proprietà di un qualsiasi oggetto prototipo, o particella (che sarebbe stato scelto arbitrariamente), ma si basano solo sulle proprietà dello spazio libero. Le costanti che le unità di Planck, per definizione, normalizzano a 1 sono le:
- Costante gravitazionale, G;
- Costante di Planck ridotta, ħ;
- Velocità della luce nel vuoto, c;
- Costante di Coulomb, 1 4 π ε 0 {\a6}{4 π ε 0 {\a6}{4 π ε 0 {\a6} {\a6}{4 π ε 0}
(a volte ke o k); - La costante di Boltzmann, kB (a volte k).
Ciascuna di queste costanti può essere associata ad almeno una teoria fisica fondamentale: c con la relatività speciale, G con la relatività generale e la legge di Newton della gravitazione universale, ħ con la meccanica quantistica, ε0 con l'elettrostatica, e kB con la meccanica statistica e la termodinamica. Le unità di Planck sono molto importanti per la fisica teorica, perché semplificano diverse espressioni algebriche ricorrenti della legge fisica. Sono particolarmente rilevanti nella ricerca sulle teorie unificate come la gravità quantistica.
Le unità di Planck possono a volte essere definite dai fisici come "unità di Dio". Eliminano l'arbitrarietà centrata sull'uomo dal sistema delle unità: alcuni fisici sostengono che la comunicazione con l'intelligenza extraterrestre dovrebbe usare un tale sistema di unità per fare riferimento comune alla scala. A differenza del metro e del secondo, che esistono come unità fondamentali nel sistema SI per ragioni storiche (nella storia dell'uomo), la lunghezza di Planck e il tempo di Planck sono concettualmente collegati a livello fisico fondamentale.
Le unità naturali aiutano i fisici a ridefinire le domande. Frank Wilczek lo dice in modo succinto:
...Vediamo che la domanda [posta] non è: "Perché la gravità è così debole?", ma piuttosto: "Perché la massa del protone è così piccola? Perché nelle Unità Naturali (Planck), la forza di gravità è semplicemente ciò che è, una quantità primaria, mentre la massa del protone è il numero minuscolo [1/(13 quintilioni)]...
-giugno 2001 Fisica Oggi
La forza di gravità è semplicemente ciò che è e la forza della forza elettromagnetica è semplicemente ciò che è. La forza elettromagnetica opera su una quantità fisica diversa (carica elettrica) rispetto alla gravità (massa), quindi non può essere paragonata direttamente alla gravità. Da notare che la gravità è una forza estremamente debole, dal punto di vista delle unità di Planck, come il confronto tra mele e arance. È vero che la forza elettrostatica repulsiva tra due protoni (da sola nello spazio libero) supera di molto la forza attrattiva gravitazionale tra gli stessi due protoni, e questo perché la carica sui protoni è approssimativamente l'unità di carica di Planck ma la massa dei protoni è molto, molto meno della massa di Planck.
Domande e risposte
D: Cosa sono le unità di Planck?
R: Le unità di Planck sono unità di misura fisiche sviluppate per la prima volta da Max Planck, basate su quattro costanti fisiche presenti in natura. Quando si usa per esprimere una qualsiasi di queste quattro costanti fisiche, il valore è 1.
D: Su cosa si basano le quattro unità di base di Planck?
R: Le quattro unità di base di Planck si basano solo su quattro costanti fisiche presenti in natura, che includono la velocità della luce nel vuoto (c), la costante gravitazionale (G), la costante di Planck ridotta (ħ) e la costante di Boltzmann (kB).
D: Perché si chiamano unità naturali?
R: Sono chiamate unità naturali perché derivano solo da proprietà della natura e non da costruzioni umane.
D: In che modo le unità naturali aiutano i fisici?
R: Le unità naturali aiutano i fisici a semplificare diverse espressioni algebriche ricorrenti della legge fisica e a riformulare le domande. Inoltre, eliminano l'arbitrarietà centrata sull'uomo dal sistema di unità.
D: Quali teorie hanno almeno una teoria fisica fondamentale associata a ciascuna di queste costanti?
R: A c è associata la relatività speciale, a G è associata la relatività generale e la legge di Newton sulla gravitazione universale, a ħ è associata la meccanica quantistica, a ε0 è associata l'elettrostatica e a kB sono associate la meccanica statistica e la termodinamica.
D: Perché a volte le Unità di Planck vengono chiamate in modo semi-umoristico "Unità di Dio"?
R: Possono essere chiamate "Unità di Dio" perché eliminano l'arbitrarietà umana dal sistema di unità e alcuni fisici sostengono che la comunicazione con l'intelligenza extraterrestre dovrebbe utilizzare tale sistema di unità per fare riferimento comune alla scala.
