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;

• yerçekimi 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.^[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 k_B, istatiksel 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;

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

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[4]
Bir vakumdaki ışık hızı	c	L T ^−1	2.99792458×10^8 m s^−1 (metre olarak tam ifadesi)
Yerçekimi sabiti	G	L^3 M^−1 T ^−2	6,67384(80) × 10^−11 m^3kg^−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, vakum yalıtkanlık sabitidir	L^3 M T ^−2 Q^−2	8.9875517873681764×10^9 kg m^3 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

Ad	Boyut	İfade	Değer[4] (SI birimleri)
Planck uzunluğu	Uzunluk (L)	${\displaystyle l_{\text{P}}={\sqrt {\frac {\hbar G}{c^{3}}}}}$	1.616 199(97) × 10^−35 m[5]
Planck kütlesi	Kütle (M)	${\displaystyle m_{\text{P}}={\sqrt {\frac {\hbar c}{G}}}}$	2.176 51(13) × 10^−8 kg[6]
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^−44 s[7]
Planck yükü	Elektriksel yük (Q)	${\displaystyle q_{\text{P}}={\sqrt {4\pi \varepsilon _{0}\hbar c}}}$	1.875 545 956(41) × 10^−18 C[8][9][10]
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) × 10^32 K[11]

Türetilen Planck birimleri

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

Tablo 3: Türetilen Planck birimleri

Ad	Boyut	İfade	Yaklaşık SI eşdeğeri
Planck alanı	Alan (L^2)	${\displaystyle l_{\text{P}}^{2}={\frac {\hbar G}{c^{3}}}}$	2.61223 × 10^−70 m^2
Planck hacmi	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^−105 m^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 × 10^9 J
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 × 10^44 N
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 × 10^52 W
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 kg/m^3
Planck açısal frekansı	Açısal frekans (T^−1)	${\displaystyle \omega _{\text{P}}={\frac {1}{t_{\text{P}}}}={\sqrt {\frac {c^{5}}{\hbar G}}}}$	1.85487 × 10^43 s^−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 × 10^113 Pa
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 × 10^25 A
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 × 10^27 V
Planck empedansı	Direnç (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 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	${\displaystyle F=-G{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}}}$	${\displaystyle F=-{\frac {m_{1}m_{2}}{r^{2}}}}$
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	${\displaystyle {E=mc^{2}}\ }$	${\displaystyle {E=m}\ }$
Enerji-momentum ilişkisi	${\displaystyle E^{2}=m^{2}c^{4}+p^{2}c^{2}\;}$	${\displaystyle E^{2}=m^{2}+p^{2}\;}$
Termal enerji bölü parçacık bölü serbestlik derecesi	${\displaystyle {E={\tfrac {1}{2}}k_{\text{B}}T}\ }$	${\displaystyle {E={\tfrac {1}{2}}T}\ }$
Boltzmann entropi 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 şiddeti bölü birim katı açı bölü birim açısal frekans).	${\displaystyle I(\omega ,T)={\frac {\hbar \omega ^{3}}{4\pi ^{3}c^{2}}}~{\frac {1}{e^{\frac {\hbar \omega }{k_{\text{B}}T}}-1}}}$	${\displaystyle I(\omega ,T)={\frac {\omega ^{3}}{4\pi ^{3}}}~{\frac {1}{e^{\omega /T}-1}}}$
Stefan–Boltzmann sabiti (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[12]	${\displaystyle S_{\text{BH}}={\frac {A_{\text{BH}}k_{\text{B}}c^{3}}{4G\hbar }}={\frac {4\pi Gk_{\text{B}}m_{\text{BH}}^{2}}{\hbar c}}}$	${\displaystyle S_{\text{BH}}=A_{\text{BH}}/4=4\pi m_{\text{BH}}^{2}}$
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 N·s);
• 1 Planck enerjisi yaklaşık 500 kWh;
• 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 × 10^60 tP	4,3 × 10^17 s, veya 13,7 × 10^9 yaş
Çapı	5,4 × 10^61 lP	8,7 × 10^26 m veya 9,2 × 10^10 ışık yılı
Kütle	yaklaşık 10^60 mP	3 × 10^52 kg veya 1,5 × 10^22 güneş kütlesi (yalnız sayılan yıldızlar) 10^80 proton (Eddington sayısı olarak ta bilinir)
Sıcaklık	1,9 × 10^−32 TP	2,725 K kozmik mikrodalga arka plan ışıması sıcaklığı
Kozmolojik sabit	5,6 × 10^−122 tP^−2	1,9 × 10^−35 s^−2
Hubble sabiti	1,23 × 10^−61 tP^−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 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 ${\displaystyle h}$ 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

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

Dipnotlar

1. • Tomilin, K. A., 1999, "Natural Systems of Units: To the Centenary Anniversary of the Planck System", 287-296.
2. Pavšic, Matej (2001). The Landscape of Theoretical Physics: A Global View. Dordrecht: Kluwer Academic. s. 347-352. ISBN 0-7923-7006-6. http://www.springer.com/physics/theoretical%2C+mathematical+%26+computational+physics/book/978-0-7923-7006-2?otherVersion=978-1-4020-0351-6. 
3. Michael W. Busch, Rachel M. Reddick (2010) "Testing SETI Message Designs," Astrobiology Science Conference 2010, April 26–29, 2010, League City, Texas.
4. Fundamental Physical Constants from NIST
5. CODATA — Planck length
6. CODATA — Planck mass
7. CODATA — Planck time
8. CODATA — electric constant
9. CODATA — Planck constant over 2 pi
10. CODATA — speed of light in vacuum
11. CODATA — Planck temperature
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"

Dış bağlantılar

• Value of the fundamental constants, including the Planck base units, as reported by the National Institute of Standards and Technology (NIST).
• Sections C-E of collection of resources bear on Planck units. Good discussion of why 8πG should be normalized to 1 when doing general relativity and quantum gravity. Many links.
• The universe and the parameters that describe it in Planck units Pulls together various physics concepts into one unifying picture.