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Dieser Artikel befasst sich mit dem Einheitensystem fur die Skala siehe Planck Skala Die Planck Einheiten bilden ein System naturlicher Einheiten fur die physikalischen Grossen Sie werden direkt als Produkte und Quotienten der fundamentalen Naturkonstanten berechnet aus Gravitationskonstante G displaystyle textstyle G Lichtgeschwindigkeit c displaystyle textstyle c Reduzierte Planck Konstante ℏ displaystyle textstyle hbar Boltzmann Konstante k B displaystyle textstyle k mathrm B Coulomb Konstante k C 1 4 p e 0 displaystyle k mathrm C frac 1 4 pi textstyle varepsilon 0 mit der elektrischen Permittivitat des Vakuums e 0 displaystyle textstyle varepsilon 0 In Planck Einheiten ausgedruckt haben diese Naturkonstanten oder bestimmte konventionelle Vielfache dieser daher allesamt den Zahlenwert 1 In diesem Einheitensystem sind dann viele Berechnungen numerisch einfacher Die Planck Einheiten sind nach Max Planck benannt der 1899 bemerkte dass mit seiner Forschung und Entdeckung des Wirkungsquantums nun genugend fundamentale Naturkonstanten bekannt waren um universelle Einheiten fur Lange Zeit Masse und Temperatur zu definieren Die Bedeutung der Planck Einheiten liegt zum einen darin dass einige der Planck Einheiten minimale Grenzen z B fur Lange und Zeit markieren bis zu denen wir Ursache und Wirkung unterscheiden konnen Das heisst hinter dieser Grenze sind die bisher bekannten physikalischen Gesetze nicht mehr anwendbar z B bei der theoretischen Aufklarung der Vorgange kurz nach dem Urknall siehe Planck Skala Zum anderen gilt wie Planck es ausdruckte dass die Planck Einheiten unabhangig von speziellen Korpern oder Substanzen ihre Bedeutung fur alle Zeiten und fur alle auch ausserirdische und aussermenschliche Kulturen notwendig behalten und daher als naturliche Masseinheiten bezeichnet werden konnen 1 2 d h unsere Naturgesetze sind bis hinunter zu den Planck Einheiten universal im Kosmos anwendbar verstandlich und kommunizierbar Inhaltsverzeichnis 1 Definitionen 1 1 Grundgrossen 1 2 Abgeleitete Grossen 2 Geschichte 3 Heutige Bedeutung 4 Weblinks 5 EinzelnachweiseDefinitionen BearbeitenGrundgrossen Bearbeiten Die Planck Einheiten ergeben sich aus einer einfachen Dimensionsbetrachtung Sie ergeben sich als mathematische Ausdrucke von der Dimension einer Lange Zeit bzw Masse die nur Produkte und Quotienten geeigneter Potenzen von G displaystyle G c displaystyle c und ℏ displaystyle hbar enthalten Benutzt man zusatzlich die elektrische Permittivitat des Vakuums e 0 displaystyle varepsilon 0 und die Boltzmann Konstante k B displaystyle k mathrm B so lassen sich ausserdem eine Planck Ladung und eine Planck Temperatur als weitere Grundgrossen bestimmen Die Planck Ladung erfullt dabei die Bedingung dass die Gravitationskraft zwischen zwei Planck Massen und die elektromagnetische Kraft zwischen zwei Planck Ladungen gleich stark sind m P 2 G l P 2 q P 2 4 p e 0 l P 2 displaystyle m mathrm P 2 G l mathrm P 2 q mathrm P 2 4 pi varepsilon 0 l mathrm P 2 Name Grosse Dimension Term Wert in SI Einheiten in anderen EinheitenPlanck Lange Lange L l P ℏ G c 3 displaystyle l mathrm P sqrt frac hbar G c 3 1 616 255 18 10 35 m 3 3 054 10 25 a0Planck Masse Masse M m P ℏ c G displaystyle m mathrm P sqrt frac hbar c G 2 176 434 24 10 8 kg 4 1 311 1019 u 1 220 890 13 1019 GeV c2Planck Zeit Zeit T t P ℏ G c 5 l P c displaystyle t mathrm P sqrt frac hbar G c 5 frac l mathrm P c 5 391 247 60 10 44 s 5 Planck Temperatur Temperatur 8 T P m P c 2 k B displaystyle T mathrm P frac m mathrm P c 2 k mathrm B 1 416 784 16 1032 K 6 Planck Ladung Ladung Q q P 4 p e 0 ℏ c displaystyle q mathrm P sqrt 4 pi varepsilon 0 hbar c 1 875 545 956 41 10 18 C 11 71 eDie Formelzeichen bedeuten c displaystyle c Lichtgeschwindigkeit G displaystyle G Gravitationskonstante e 0 displaystyle varepsilon 0 Elektrische Feldkonstante k B displaystyle k mathrm B Boltzmann Konstante ℏ displaystyle hbar reduzierte Planck KonstanteStatt G displaystyle G wird manchmal 8 p G displaystyle 8 pi G zu Eins gesetzt dann ergibt sich als Masseeinheit die reduzierte Planck Masse m P ℏ c 8 p G 4 340 m g displaystyle overline m mathrm P sqrt frac hbar c 8 pi G approx 4 340 mu mathrm g Mit der Definition einer entsprechend reduzierten Planck Ladung q P ℏ c e 0 2 displaystyle overline q mathrm P sqrt frac hbar c varepsilon 0 2 bleibt dann die o g Gleichheit der Krafte erhalten Abgeleitete Grossen Bearbeiten Neben diesen funf Grundgrossen werden auch folgende abgeleitete Grossen verwendet Name Grosse Dimension Term Wert in SI EinheitenPlanck Flache Flache L2 l P 2 ℏ G c 3 displaystyle l mathrm P 2 frac hbar G c 3 2 612 10 70 m2Planck Volumen Volumen L3 l P 3 ℏ G c 3 3 displaystyle l mathrm P 3 sqrt frac hbar G c 3 3 4 222 10 105 m3Planck Energie Energie ML2T 2 E P m P c 2 ℏ t P ℏ c 5 G displaystyle E mathrm P m mathrm P c 2 frac hbar t mathrm P sqrt frac hbar c 5 G 1 956 109 J 1 221 1028 eV 543 4 kWhPlanck Impuls Impuls MLT 1 m P c ℏ l P ℏ c 3 G displaystyle m mathrm P c frac hbar l mathrm P sqrt frac hbar c 3 G 6 525 kg m s 1Planck Kraft Kraft MLT 2 F P E P l P ℏ l P t P c 4 G displaystyle F mathrm P frac E mathrm P l mathrm P frac hbar l mathrm P t mathrm P frac c 4 G 1 210 1044 NPlanck Leistung Leistung ML2T 3 P P E P t P ℏ t P 2 c 5 G displaystyle P mathrm P frac E mathrm P t mathrm P frac hbar t mathrm P 2 frac c 5 G 3 628 1052 WPlanck Dichte Dichte ML 3 r P m P l P 3 ℏ t P l P 5 c 5 ℏ G 2 displaystyle rho mathrm P frac m mathrm P l mathrm P 3 frac hbar t mathrm P l mathrm P 5 frac c 5 hbar G 2 5 155 1096 kg m 3Planck Kreisfrequenz Kreisfrequenz T 1 w P 1 t P c 5 ℏ G displaystyle omega mathrm P frac 1 t mathrm P sqrt frac c 5 hbar G 1 855 1043 s 1Planck Druck Planck Energiedichte Druck ML 1T 2 p P F P l P 2 ℏ l P 3 t P c 7 ℏ G 2 displaystyle p mathrm P frac F mathrm P l mathrm P 2 frac hbar l mathrm P 3 t mathrm P frac c 7 hbar G 2 4 633 10113 PaPlanck Strom Elektrischer Strom QT 1 I P q P t P c 6 4 p e 0 G displaystyle I mathrm P frac q mathrm P t mathrm P sqrt frac c 6 4 pi varepsilon 0 G 3 479 1025 APlanck Spannung Elektrische Spannung ML2T 2Q 1 U P E P q P ℏ t P q P c 4 G 4 p e 0 displaystyle U mathrm P frac E mathrm P q mathrm P frac hbar t mathrm P q mathrm P sqrt frac c 4 G4 pi varepsilon 0 1 043 1027 VPlanck Impedanz Widerstand ML2T 1Q 2 Z P U P I P ℏ q P 2 1 4 p e 0 c Z 0 4 p displaystyle Z mathrm P frac U mathrm P I mathrm P frac hbar q mathrm P 2 frac 1 4 pi varepsilon 0 c frac Z 0 4 pi 29 98 WPlanck Beschleunigung Beschleunigung LT 2 g P F P m P c 7 ℏ G displaystyle g mathrm P frac F mathrm P m mathrm P sqrt frac c 7 hbar G 5 56 1051 m s 2Planck Magnetfeld Magnetische Flussdichte MQ 1T 1 B P m 0 4 p p P c 5 ℏ G 2 4 p e 0 displaystyle B mathrm P sqrt frac mu 0 4 pi p mathrm P sqrt frac c 5 hbar G 2 4 pi varepsilon 0 2 153 1053 TPlanck Magnetischer Fluss Magnetischer Fluss ML2T 1Q 1 ϕ P E P I P ℏ 4 p e 0 c displaystyle phi mathrm P frac E mathrm P I mathrm P sqrt frac hbar 4 pi varepsilon 0 c 5 623 10 17 WbPlanck Frequenz Frequenz T 1 f p c 2 p l P w P 2 p displaystyle f p frac c 2 pi l text P frac omega mathrm P 2 pi 2 952 1042 HzDie Planck Einheit fur den Drehimpuls ergibt sich aus dem Produkt von Planck Lange und Planck Impuls zu dem Wert ℏ displaystyle hbar Das ist gerade die aus der Quantenmechanik bekannte Einheit der Drehimpulsquantelung Die Planck Flache l P 2 displaystyle l mathrm P 2 spielt insbesondere in Stringtheorien und bei Uberlegungen zur Entropie Schwarzer Locher in Zusammenhang mit dem holografischen Prinzip eine wichtige Rolle Geschichte BearbeitenEnde des 19 Jahrhunderts entdeckte Planck bei seinen Untersuchungen zur Theorie der Strahlung Schwarzer Korper fur die er zwei Jahrzehnte spater den Nobelpreis fur Physik erhielt die letzte zur Definition der Planck Einheiten erforderliche Naturkonstante das spater nach ihm benannte Wirkungsquantum Er erkannte die Moglichkeit damit ein universell gultiges System von Einheiten zu definieren und erwahnte diese in einem Vortrag Uber irreversible Strahlungsvorgange Das folgende Zitat vermittelt einen Eindruck von dem Stellenwert den Planck diesen Einheiten einraumte 1 die Moglichkeit gegeben ist Einheiten aufzustellen welche unabhangig von speciellen Korpern oder Substanzen ihre Bedeutung fur alle Zeiten und fur alle auch ausserirdische und aussermenschliche Culturen notwendig behalten und welche daher als naturliche Maasseinheiten bezeichnet werden konnen Max Planck 1 Obwohl Planck diesem Einheitensystem ein Kapitel 159 Naturliche Masseinheiten 7 seines 1906 erschienenen Buches Theorie der Warmestrahlung widmete und dieses Thema auch spater wieder aufgriff wurde es auch innerhalb der Physik nicht verwendet Den Nachteilen dass fur die Verwendung in einem Masssystem der Wert der Gravitationskonstante nicht genau genug bekannt war und noch ist und dass praxisrelevante Grossen in seinen Einheiten ausgedruckt absurde Zahlenwerte hatten stand kein Vorteil gegenuber da bis dahin in keiner physikalischen Theorie gleichzeitig das Wirkungsquantum und die Gravitationskonstante auftauchte Erst nach ersten Arbeiten zur Vereinigung von Quantentheorie und Gravitation in den spaten 1930er Jahren entstand das Anwendungsgebiet der Planck Einheiten Als John Archibald Wheeler und Oskar Klein 1955 uber die Planck Lange als Grenze der Anwendbarkeit der Allgemeinen Relativitatstheorie veroffentlichten war Plancks Vorschlag schon fast vergessen Nach der Wiederentdeckung der Planckschen Vorschlage fur ein solches Masssystem wurde dann ab 1957 der Name Planck Einheiten gebrauchlich Die heute ublichen Planck Einheiten unterscheiden sich insofern von Plancks ursprunglichen Einheiten dass ℏ h 2 p displaystyle hbar tfrac h 2 pi und nicht h displaystyle h als zugrunde liegende Konstante gewahlt wurde Im Zuge der Entwicklung der Quantenmechanik hatte sich gezeigt dass ℏ displaystyle hbar als Quant des Drehimpulses fundamentaler ist Heutige Bedeutung BearbeitenFormuliert man Gleichungen die die Naturkonstanten G displaystyle G c displaystyle c und ℏ displaystyle hbar enthalten in Planck Einheiten so konnen die Konstanten entfallen Dies vereinfacht in bestimmten Disziplinen der theoretischen Physik die Gleichungen erheblich etwa in der allgemeinen Relativitatstheorie in den Quantenfeldtheorien und in den verschiedenen Ansatzen fur eine Quantengravitation Die Planck Einheiten ermoglichen auch eine alternative Sichtweise auf die fundamentalen Krafte der Natur deren Starke im Internationalen Einheitensystem SI durch sehr unterschiedliche Kopplungskonstanten beschrieben wird Bei Verwendung der Planck Einheiten stellt sich die Situation wie folgt dar Zwischen zwei Partikeln die genau die Planckmasse und die Planckladung besitzen waren die Gravitationskraft und die elektromagnetische Kraft exakt gleich gross Die unterschiedliche Starke dieser Krafte in unserer Welt ist die Folge davon dass ein Proton bzw ein Elektron eine Ladung von etwa 0 085 Planckladungen besitzt wahrend ihre Massen um 19 bzw 22 Grossenordnungen kleiner als die Planckmasse sind Die Frage Warum ist die Gravitation so schwach ist also aquivalent zu der Frage Warum haben die Elementarteilchen so geringe Massen Verschiedene Physiker und Kosmologen befass t en sich mit der Frage ob wir es bemerken konnten wenn sich dimensionale physikalische Konstanten geringfugig andern wurden und wie die Welt bei grosseren Anderungen aussahe Solche Spekulationen werden u a bei der Lichtgeschwindigkeit c displaystyle c und der Gravitationskonstanten G displaystyle G angestellt letztere schon seit etwa 1900 in der Expansionstheorie der Erde Der Atomphysiker George Gamow meint in seinem popularwissenschaftlichen Buch Mr Tompkins im Wunderland dass eine Anderung von c displaystyle c deutliche Anderungen zur Folge hatte Weblinks BearbeitenAlpha Centauri Was ist die Planck Welt auf YouTube 22 August 2013 abgerufen am 5 April 2022 Die Planckeinheiten und deren Interpretation von Jorg Resag Einzelnachweise Bearbeiten a b c Dem gegenuber durfte es nicht ohne Interesse sein zu bemerken dass mit Zuhulfenahme der beiden in der Strahlungsentropie auftretenden Constanten a und b mit a und b sind die Konstanten h kB und h gemeint die Moglichkeit gegeben ist Einheiten fur Lange Masse Zeit und Temperatur aufzustellen welche unabhangig von speciellen Korpern und Substanzen ihre Bedeutung fur alle Zeiten und fur alle auch ausserirdische und aussermenschliche Culturen notwendig behalten und welche daher als naturliche Maasseinheiten bezeichnet werden konnen Die Mittel zur Festsetzung der vier Einheiten fur Lange Masse Zeit und Temperatur werden gegeben durch die beiden erwahnten Constanten a und b ferner durch die Grosse der Lichtfortpflanzungsgeschwindigkeit c im Vacuum und die der Gravitationsconstante f Max Planck Ueber irreversible Strahlungsvorgange Annalen der Physik 1 1900 69 122 S 121 doi 10 1002 andp 19003060105 Max Planck Uber Irreversible Strahlungsvorgange In Sitzungsbericht der Koniglich Preussischen Akademie der Wissenschaften 1899 erster Halbband S 479 480 CODATA Recommended Values National Institute of Standards and Technology abgerufen am 8 Juli 2019 Wert fur die Planck Lange CODATA Recommended Values National Institute of Standards and Technology abgerufen am 8 Juli 2019 Wert fur die Planck Masse CODATA Recommended Values National Institute of Standards and Technology abgerufen am 8 Juli 2019 Wert fur die Planck Zeit CODATA Recommended Values National Institute of Standards and Technology abgerufen am 8 Juli 2019 Wert fur die Planck Temperatur Max Planck Theorie der Warmestrahlung https archive org download vorlesungenberd04plangoog vorlesungenberd04plangoog pdf Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Planck Einheiten amp oldid 235668095