یكاهای طبیعی ماكس پلانك

ورنر هایزنبرگ كه در سال 1932 به خاطر ارائه اصل عدم قطعیت جایزه نوبل فیزیك را برده است، در سال 1958 در جشن صدمین سالگرد تولد ماكس وجود كمیتی به عنوان كنترین طول جهانی را پیشنهاد كرد. هایزنبرگ تخمین زد كه مقدار
دوشنبه، 28 دی 1394
تخمین زمان مطالعه:
موارد بیشتر برای شما
یكاهای طبیعی ماكس پلانك
یكاهای طبیعی ماكس پلانك

 

مترجم: فرید احسانلو
منبع:راسخون




 

چكیده: در این مقاله یكاهای ارائه شده توسط ماكس پلانك بررسی می‌شود.
ورنر هایزنبرگ كه در سال 1932 به خاطر ارائه اصل عدم قطعیت جایزه نوبل فیزیك را برده است، در سال 1958 در جشن صدمین سالگرد تولد ماكس وجود كمیتی به عنوان كنترین طول جهانی را پیشنهاد كرد. هایزنبرگ تخمین زد كه مقدار این كمترین طول جهانی باید از مرتبه قطر هسته‌های ساده یعنی یكاهای طبیعی ماكس پلانك m باشد. پژوهشگران گرانش كه در زمینه هندسه دینامیك كوانتومی كار می‌كنند طول پلانك را به عنوان كمترین طول جهانی پذیرفته‌اند. مقدار این طول از مرتبه یكاهای طبیعی ماكس پلانك m و بسیار كوچكتر از برآورد هایزنبرگ است. پلانك اولین بار مقاله مربوط به طول پیشنهادی خود را در سال 1899 و متن انگلیسی آن را در سال 1959 منتشر كرد. او همراه با طول جهانی خود سه ثابت جهانی دیگر هم برای جرم، زمان، و دما ارائه كرد كه به ترتیب عبارت‌اند از
(1) یكاهای طبیعی ماكس پلانك
(2) یكاهای طبیعی ماكس پلانك
(3) یكاهای طبیعی ماكس پلانك
(4) یكاهای طبیعی ماكس پلانك
h ثابت كنش پلانك، c سرعت نور در خلأ، G ثابت گرانش، و K ثابت بولتزمن است.
با یك نظر به مقادیر این (به قول پلانك) یكاهای طبیعی متوجه مقدار فوق العاده بزرگ دما (یكاهای طبیعی ماكس پلانك) می‌شویم. بعضی كیهان شناسان پیشنهاد كرده‌اند كه این دمای جهان در زمان مهبانگ بوده است؛ شاید بالاترین دمایی كه تاكنون وجود داشته است. طول یكاهای طبیعی ماكس پلانك و زمان یكاهای طبیعی ماكس پلانك فوق العاده كوچك به نظر می‌رسند و بنابراین طبیعی است كه پژوهشگران گرانش این مقادیر را به عنوان نامزدهای كمترین مقادیر جهانی انتخاب كرده باشند. اما چون جرم پلانك (یكاهای طبیعی ماكس پلانك) نه خیلی كوچك به نظر می‌رسد و نه خیلی بزرگ، بعضی فیزیك‌ دان‌ها این امكان را در نظر می‌گیرند كه وقتی سرعت ذرات بنیادی (مثلاً الكترون‌ها) به سرعت نور نزدیك می‌شود جرم آن‌ها به جرم پلانك میل می‌كند؛ و این بر خلاف پیش بینی نظریه نسبیت است كه طبق آن در این شرایط جرم باید بی نهایت شود.
انتخاب h ،c وG توسط پلانك به عنوان اجزاء دستگاه یكاهای طبیعی‌اش می‌تواند مؤید علاقه او به ایجاد یك وحدت كلی بین تمام نیروهای طبیعت باشد كه امروزه آن را نظریه‌ی وحدت میدان‌ها می‌نامند. ملاحظات پلانك در مورد انتخاب ثابت‌های جهانی از سه عرصه مختلف طبیعت (h از مكانیك كوانتومی، c از نظریه نسبیت، و G از نظریه كلاسیك گرانش) گویای هدف او مبنی بر ایجاد یك وحدت بزرگ است. پلانك بر استقلال یكاهای طبیعی‌اش تأكید می‌كرد. مثلاً، یكاهای طبیعی ماكس پلانك بر خلاف طول استاندارد به طول‌های معیار یا به امواج نور بستگی ندارد؛ یكاهای طبیعی ماكس پلانك بر خلاف مقیاس‌های اندازه گیری فارنهایت و سلسیوس به هیچ وجه به نقطه ذوب یا نقطه جوش یك ماده به خصوص وابسته نیست. خود پلانك در این مورد گفته است.
.... این یكاها مستقل از اجسام یا عناصر ویژه‌اند و به همین خاطر ضرورتاً معنای خود را در همه زمان‌های و در تمام شرایط (زمینی، انسانی، و غیره) حفظ خواهند كرد. مادامی كه قانون گرانش، قانون سرعت نور در خلأ، و دو قانون اساسی ترمودینامیك معتبر باشند این یكاها هم معتبر خواهند بود. باید توجه داشت كه h ،c وG از لحاظ نسبیتی هم ناواردا هستند. یكاهای طبیعی پلانك یگانه‌اند. یكاهای دستگاه‌های دیگر مانند یكاهای اتمی و یكاهای الكتروستاتیكی و الكترومغناطیسی، شامل تركیباتی از ثابت‌های جهانی‌اند. اما اغلب به مناسبت مطالعه سیستم‌های فیزیكی خاص تدوین شده‌اند و اهمیتی به مفهوم مطلق ندارند.
پلانك روش به دست آوردن یكاهای طبیعی‌اش را توضیح نداده است. شاید با استفاده از نبوغ خود به طور شهودی به آن‌ها رسیده باشد. یك روش صوری تحلیل ابعادی در قرن بیستم تدوین شده كه احتمالاً پلانك هم آن را بلد بوده است. ما هم این روش تحلیل ابعادی را در این مقاله ارائه می‌دهیم، چون اگر روش‌های جبری با یك مثال خاص توضیح داده شوند برای خواننده جالب تر خواهند بود. برای به دست آوردن طول پلانك معادله زیر را برای هر x، y، و z حل می‌كنیم.
(5) یكاهای طبیعی ماكس پلانك
این روش شامل چهار مرحله اساسی است:
1. هر h ،c وG را بر حسب جرم M ، طول L، و زمان T بیانمی‌كنیم.
2. عبارت‌های حاصل از مرحله اول را در معادله (5) قرار می‌دهیم.
3. رابطه به دست آمده در مرحله دوم را به سه معادله مجزا به ترتیب برای M، L و T بسط می‌دهیم. كه در هر یك از آن‌ها توان‌های x، y، وz می‌شوند.
4. سه معادله حاصل از مرحله سوم را همزمان برای هر x، y، وz حل می‌كنیم.
انرژی را می‌توان برحسب یكاهای نیرو ضربدر مسافت بیان كرد. بنابراین معادله ابعادی آن به صورت یكاهای طبیعی ماكس پلانك است. حالا مبنایی داریم كه به كمك آن و با استفاده از قوانین فیزیكی زیر می‌توانیم h ،c وG را بر حسب M، L و T بیان كنیم.
یكاهای طبیعی ماكس پلانك
λ و ν به ترتیب طول موج و فركانس نورند. ابتدا رابطه E=hν را در نظر می‌گیریم. با توجه به اینكه فركانس (ν) عكس زمان است، می‌توان نوشتیكاهای طبیعی ماكس پلانك و یا
(7) یكاهای طبیعی ماكس پلانك
به همین ترتیب با استفاده از رابطه (6) عبارت انرژی گرانشی به صورت یكاهای طبیعی ماكس پلانك در می‌آید، و بنابراین
(8) یكاهای طبیعی ماكس پلانك
چون بعد طول موج L و بعد فركانس عكس زمان است، بنابراین، معادله ابعادی سرعت با استفاده از رابطه (6) به صورت زیر نوشته می‌شود.
(9) یكاهای طبیعی ماكس پلانك
اگر روابط (7)، (8) و (9) را در رابطه (5) قرار بدهیم نتیجه می‌شود
(10) یكاهای طبیعی ماكس پلانك
حالا باید ببینیم چگونه می‌توانیم رابطه بالا را برای به دست آوردن x، y، و z به سه عبارت مجزا بسط بدهیم؟ می‌دانیم كه می‌شودM، L و T را جداگانه بر حسب جملاتی شامل نماهای x، y، و z مربوط به آن‌ها نوشت. همچنین می‌دانیم كه نماهای مربوط به هر بعد در دو طرف معادله باید با هم مساوی باشند. مثلاً اگز M مثل مورد بالا در طرف راست معادله وجود نداشته باشد، به جای آن یكاهای طبیعی ماكس پلانك قرار می‌دهیم (زیرا هر چیزی كه نمای آن صفر باشد مساوی یك است). به همین ترتیب در پرانتز دوم طرف چپ رابطه (10) كه M ندارد و نمای آن y است یكاهای طبیعی ماكس پلانك را قرار می‌دهیم. بنابراین معادله مربوط به M به صورت زیر به دست می‌آید.
(11) یكاهای طبیعی ماكس پلانك
اگر نماهای M را در هر طرف این معادله جمع كنیم می‌بینیم كه باید x-z=01 باشد كه از آن نتیجه می‌شود x=z.
حالا رابطه (10) را برای L به كار می‌بریم، خواهیم داشت :
(12) یكاهای طبیعی ماكس پلانك
كه از آن نتیجه می‌شود 2x+y+3z=1 و بالاخره در مورد T خواهیم داشت
(13) یكاهای طبیعی ماكس پلانك
كه از آن نتیجه می‌گیریم –x-y-2z=0 مرحله نهایی این است كه دستگاه معادلات همزمان زیر را برای به دست آوردن x، y، و z حل كنیم.
x-z=0
2x+y+3z=1
-X-y-2z=0
از حل این معادلات نتیجه می‌شود x=1/2 ، y=-3/2، و z=1/2، كه با استفاده از آن‌ها رابطه (5) به شكل زیر در می‌آید
یكاهای طبیعی ماكس پلانك
و یا
یكاهای طبیعی ماكس پلانك
كه همان رابطه (1) پلانك است. عین همین روش را می‌توان برای به دست آوردن یكاهای طبیعی ماكس پلانك و یكاهای طبیعی ماكس پلانك به كار برد. با این روش به تنهایی نمی‌توان یكاهای طبیعی ماكس پلانك را به دست آورد و رابطه دیگری هم احتیاج داریم.
ما تاكنون یكاهای پلانك را در هیچ كتاب درسی فیزیك عمومی، شیمی عمومی، و یا شیمی فیزیك مشاهده نكرده‌ایم. بنابراین آن‌ها را در این مقاله معرفی كرده‌ایم به این امید كه شاید برای معلمان دبیرستان‌ها و كالج‌ها هم جالب باشد، همان طور كه برای خود ما بسیار جالب بوده است. كنجكاوی ما در این مورد بیشتر به این خاطر است كه هر یك از یكاهای طبیعی پلانك شاید واقعاً حدی بر خواص ذرات بنیادی در جهان ما باشند.

/ج

 

 

تبلیغات در راسخون
ارسال نظر
با تشکر، نظر شما پس از بررسی و تایید در سایت قرار خواهد گرفت.
متاسفانه در برقراری ارتباط خطایی رخ داده. لطفاً دوباره تلاش کنید.
موارد بیشتر برای شما
واکنش هادی عامل به موضوع حسن یزدانی: تمام شد رفت
play_arrow
واکنش هادی عامل به موضوع حسن یزدانی: تمام شد رفت
از رهبر معظم انقلاب به علیرضا بخشی
play_arrow
از رهبر معظم انقلاب به علیرضا بخشی
استقبال سلطنت‌طلبان از پهلوی با تاج خامه‌ای
play_arrow
استقبال سلطنت‌طلبان از پهلوی با تاج خامه‌ای
احمد جوان: با صلاح دید کادر فنی تصمیم می‌گیرم در چه وزنی کشتی بگیرم
play_arrow
احمد جوان: با صلاح دید کادر فنی تصمیم می‌گیرم در چه وزنی کشتی بگیرم
شکوه ملکوتی حدیث کساء؛ سفری از آسمان تا زمین با حضرت زهرا (س)
شکوه ملکوتی حدیث کساء؛ سفری از آسمان تا زمین با حضرت زهرا (س)
واکنش زارع به حرکتی که صدای آمریکایی‌ها را درآورد
play_arrow
واکنش زارع به حرکتی که صدای آمریکایی‌ها را درآورد
هدیه طلایی یک زوج هوادار به کشتی‌گیران
play_arrow
هدیه طلایی یک زوج هوادار به کشتی‌گیران
روایت جذاب لگویی از جلسه فرماندهان نظامی با رهبر انقلاب
play_arrow
روایت جذاب لگویی از جلسه فرماندهان نظامی با رهبر انقلاب
بقایی: گروسی بدهی‌های زیادی به ایران دارد و باید بدهی‌های قبلی خود را تسویه کند
play_arrow
بقایی: گروسی بدهی‌های زیادی به ایران دارد و باید بدهی‌های قبلی خود را تسویه کند
‏تعجب توریست‌های خارجی از مهمان‌نوازی ایرانی‌ها + فیلم
play_arrow
‏تعجب توریست‌های خارجی از مهمان‌نوازی ایرانی‌ها + فیلم
نتانیاهو نخست‌وزیر موقت خواهد بود + فیلم
play_arrow
نتانیاهو نخست‌وزیر موقت خواهد بود + فیلم
ویدیو دیده نشده از حضور رهبر معظم انقلاب اسلامی در دفتر حماس + فیلم
play_arrow
ویدیو دیده نشده از حضور رهبر معظم انقلاب اسلامی در دفتر حماس + فیلم
ترامپ: یک تأسیسات پدافند هوایی ایران را بمباران کردیم + فیلم
play_arrow
ترامپ: یک تأسیسات پدافند هوایی ایران را بمباران کردیم + فیلم
هیلاری کلینتون: پیروزی دموکرات‌ها در هر دو مجلس، ترامپ را از کنترل خارج می‌کند + فیلم
play_arrow
هیلاری کلینتون: پیروزی دموکرات‌ها در هر دو مجلس، ترامپ را از کنترل خارج می‌کند + فیلم
لحظه جان باختن مهاجم ۳۰ ساله تنریف پس از ایست قلبی در جریان برخورد با دروازه‌بان آندورا + فیلم
play_arrow
لحظه جان باختن مهاجم ۳۰ ساله تنریف پس از ایست قلبی در جریان برخورد با دروازه‌بان آندورا + فیلم