Μονάδες Πλάνκ

Ο Μαξ Πλανκ ήταν Γερμανός φυσικός και κάτοχος Βραβείου Νόμπελ Φυσικής. Γεννήθηκε στις 23 Απριλίου 1858 στο Κίελο της Γερμανίας και πέθανε στις 4 Οκτωβρίου 1947 στο Γκέτινγκεν. Θεωρείται ως ο πατέρας της Κβαντικής Θεωρίας. Προς τιμή του μεγάλου επιστήμονα μετονομάστηκε ένα μεγάλο ερευνητικό ίδρυμα της Γερμανίας σε"Max- Planck- Institut".

Οι Μονάδες Πλανκ συχνά αναφέρονται από τους φυσικούς χιουμοριστικά ως «μονάδες του Θεού» καθώς καταργούν την ανθρωποκεντρική αυθαιρεσία από το σύστημα των μονάδων: μερικοί φυσικοί υποστηρίζουν ότι η επικοινωνία με εξωγήινη νοημοσύνη θα έπρεπε να χρησιμοποιήσει ένα τέτοιο σύστημα μονάδων για να υπάρχει μια κοινή αναφορά σε κλίμακα. Τομέτρο και το δευτερόλεπτο παραδείγματος χάριν υπάρχουν ως θεμελιώδεις μονάδες στο Διεθνές σύστημα μονάδων αλλά υπάρχουν από καθαρά ιστορικούς λόγους και κανείς πέρα των ανθρώπων θα μπορούσε να καταλάβει τι είναι ένα μέτρο ή ένα δευτερόλεπτο, ενώ μονάδες σαν Πλανκ μήκος ή Πλανκ χρόνος είναι συνδεδεμένες με παγκόσμιες σταθερές.

Οι Μονάδες Πλανκ είναι φυσικές μονάδες μέτρησης που ορίζονται αποκλειστικά από πέντε παγκόσμιες φυσικές σταθερές με τέτοιο τρόπο, ώστε αυτές οι πέντε φυσικές σταθερές λαμβάνουν την αριθμητική τιμή του 1, όταν εκφράζονται σε αυτές τις μονάδες.

Αυτές οι φυσικές μονάδες μέτρησης είναι οι εξής:

1. Η παγκόσμια σταθερά της βαρύτητας G (6.6742×10−11 m3·kg−1·s−2)
2. Η ανηγμένη σταθερά του Πλανκ h (6,626 068 × 10−34m2kg/s)
3. Η ταχύτητα του φωτός στο κενό c (299 792 458 m·s−1)
4. Η σταθερά του Κουλόμπ 1/4πε0 , μερικές φορές ke ή k
5. Η σταθερά του Μπόλτσμαν kB , μερικές φορές k

• Ένα Πλανκ μήκος είναι περίπου 10 εις την -20 της διαμέτρου ενός πρωτονίου, έτσι ώστε η περίπτωση άμεσης παρατήρησης να είναι ανέφικτη.
• Σε αντίθεση με τις άλλες μονάδες Πλανκ, η Πλανκ μάζα βρίσκεται μέσα στα όρια της ανθρώπινης αντίληψης.
• Ένας Πλανκ χρόνος είναι ο χρόνος που χρειάζεται το φως για να διατρέξει ένα Πλανκ μήκος. Θεωρητικά αυτό είναι το μικρότερο διάστημα που θα μπορέσει ποτέ να μετρηθεί και είναι περίπου 10-43 δευτερόλεπτα. Σύμφωνα με τους νόμους της φυσικής, συμβάντα που διαρκούν λιγότερο από ένα Πλανκ χρόνο δεν μπορούν ούτε ναμετρηθούν ούτε να παρατηρηθούν.
• Το Πλανκ φορτίο είναι α-1/2 =11.706 μεγαλύτερο από το φορτίο ενός ηλεκτρονίου, όπου α είναι η σταθερά λεπτής υφής.
• Η Πλανκ θερμοκρασία ίση με 1 είναι ένα θεμελιώδες όριο στην κβαντική φυσική σε συνδυασμό με την βαρύτητα, όπως τουλάχιστον το καταλαβαίνουμε σήμερα. Σε θερμοκρασίες ίσες ή μεγαλύτερες της Πλανκ θερμοκρασίας οι φυσικές θεωρίες καταρρέουν, καθώς δεν έχουμε ακόμα αναπτύξει την θεωρία της κβαντικής βαρύτητας.
  

H σταθερά του Πλανκ, αναφερόμενη ως h, είναι μία φυσική σταθερά που χρησιμοποιείται για να περιγράψει το μέγεθος των κβάντων.
Στις 16 Νοεμβρίου 2018 η Γενική Διάσκεψη Μέτρων και Σταθμών, αποδέχτηκε ομόφωνα μια νέα πιο ακριβής τιμή για την σταθερά Πλανκ στο γενικότερο πλαίσιο Επαναπροσδιορισμού των βασικών μονάδων SI για το 2019 . Για την νέα τιμή του Χιλιόγραμμου, η σταθερά Πλανκ ορίζεται σύμφωνα με πρότυπο ISO ως:

h = 6.626 070 1(50) × 10-34 J × s

ή με ηλεκτρονιοβόλτ σαν μονάδα ενέργειας:
h = 4.135 667 8(75) × 10-15 eV ×s

* Τα δύο ψηφία στις παρενθέσεις δηλώνουν της αβεβαιότητα μέτρησης στα δύο τελευταία ψηφία της τιμής.

Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία του Planck,κάθε κβάντο μεταφέρει ενέργεια Ε η οποία είναι ανάλογη με τη συχνότητα της ακτινοβολίας (ν). η ενέργεια ενός κβάντου δίνεται από την σχέση:

Ε = hν

Όπου ν: η συχνότητα ακτινοβολίας (σε s-1 ή Hz) h: η σταθερα του Planck

Ε: η ενέργεια του κβάντου (σε j)

Συμπληρωματικές πληροφορίες:

Ο Μαξ Πλανκ θεωρείται όντως ο πατέρας της Κβαντικής θεωρίας, καθώς ήταν αυτός που εισήγαγε την έννοια του «κβάντου» ενέργειας στην προσπάθειά του να ερμηνεύσει την ακτινοβολία του μέλανος σώματος. Η κλασική φυσική ( η φυσική στην οποία κυριαρχούν οι Νόμοι του Νεύτωνα ) δε μπορούσε να ερμηνεύσει τα πειραματικά αποτελέσματα που προκύπτουν από τη μελέτη της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος, καθώς για την κλασική φυσική η ενέργεια είναι μια συνεχής ποσότητα, η οποία μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή. ΟPlanch παρακάμπτοντας την κλασική φυσική, κατάφερε να ερμηνεύσει το φαινόμενο αυτό, θεωρώντας ότι η ενέργεια εκπέμπεται και απορροφάται όχι με συνεχή τρόπο, αλλά σε μορφή πακέτων ενέργειας, στα οποία ο ίδιος έδωσε το όνομα «κβάντα» ενέργειας. Σήμερα, η ακτινοβολία μέλανος σώματος χρησιμοποιείται για να υπολογίσουμε τη θερμοκρασία των διαφόρων άστρων.

Στην ίδια ακριβώς λογική των πακέτων ενέργειας- εμπνευσμένος από τον Πλανκ- πάτησε και πέντε χρόνια αργότερα ο Einstein για να ερμηνεύσει ένα άλλο φαινόμενο το οποίο ξεπερνούσε τα όρια της κλασικής φυσικής. Πρόκειται για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, για την εξήγηση του οποίου ο Einstein έλαβε το βραβείο Νόμπελ φυσικής. Δηλαδή ο Einstein δεν πήρε Νόμπελ για κάποια από τις πιο γνωστές θεωρίες του της ειδικής και της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, αλλά για την ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

Είναι χαρακτηριστικό ότι ο Bohr, το 1911 περίπου, για να αιτιολογήσει τον τρόπο που δομείται το εσωτερικό του ατόμου, που κάνουμε τώρα στη χημεία μας, πάτησε πάνω στα βήματα των Πλανκ και Einstein. Αν έχεις προσέξει, στη χημεία λέμε ότι τα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται πάνω σε συγκεκριμένες κυκλικές τροχιές γύρω από τον πυρήνα και όχι σε οποιεσδήποτε τροχιές όπως συμβαίνει με τους πλανήτες ενός ηλιακού συστήματος. Αυτό καθιστά την ενέργεια των ηλεκτρονίων κβαντισμένη, δηλαδή παίρνει μόνο κάποιες τιμές. ΟBohr μάλιστα κινήθηκε με τη λογική ότι αφού η κβάντωση δούλεψε για τους Πλανκ και Αϊνστάιν, γιατί να μη λειτουργήσει και στην περίπτωση του ατόμου και έθεσε την κβάντωση των ηλεκτρονιακών τροχιών τελείως αξιωματικά.

Κοινό χαρακτηριστικό των Einstein και Πλανκ είναι ότι παρόλο που υπήρξαν θεμελιωτές της κβαντικής θεωρίας στη συνέχεια υπήρξαν πολέμιοι της, καθώς δεν πίστεψαν ποτέ ότι η φύση λειτουργεί με τον τρόπο αυτό. Ο Bohr από την άλλη μεριά υπερασπίστηκε με σθένος την καινούρια αυτή θεωρία και προσπάθησε πολλές φορές να μεταπείσει τον Einstein.

ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗ: Θα έβαζα την τελευταία σελίδα με τον τύπο της ενέργειας της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ακριβώς κάτω από τα ιστορικά στοιχεία για τον Πλανκ. Αυτή ήταν η σχέση για την ενέργεια την οποία χρησιμοποίησε για να ερμηνεύσει την ακτινοβολία του μέλανος σώματος.