Unidades de Planck

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As unidades de Planck ou unidades naturais são um sistema de unidades proposto pela primeira vez em 1899 por Max Planck. O sistema mede várias das magnitudes fundamentais do universo: tempo, longitude, massa, carga elétrica e temperatura. O sistema se define fazendo que estas cinco constantes físicas universais da tabela tomem o valor 1 quando se expressem equações e cálculos em tal sistema.

O uso deste sistema de unidades traz consigo várias vantagens. A primeira e mais óbvia é que simplifica muito a estrutura das equações físicas porque elimina as constantes de proporcionalidade e faz com que os resultados das equações não dependam do valor das constantes.

Por outra parte, se podem comparar muito mais facilmente as magnitudes de distintas unidades. Por exemplo, dois prótons se repelem porque a repulsão eletromagnética é muito mais forte que a atração gravitacional entre eles. Isto pode ser comprovado ao ver que os prótons têm uma carga aproximadamente igual a uma unidade natural de carga, mas sua massa é muito menor que a unidade natural de massa.

Também permite evitar bastantes problemas de arredondamento, sobretudo em computação. Entretanto, têm o inconveniente de que ao usá-las é mais difícil perceber-se os erros dimensionais. São populares na área de investigação da relatividade geral e a gravidade quântica.

As unidades de Planck podem ser chamadas (por ironia) pelos físicos como as "unidades de Deus". Isto elimina qualquer arbitrariedade antropocêntrica do sistema de unidades.

Tabela 1: Constantes físicas fundamentais

Constante Símbolo Dimensão
velocidade da luz no vácuo { c } \ L / T
Constante de gravitação { G } \ L3/T2M
Constante reduzida de Planck \hbar=\frac{h}{2 \pi} onde {h} \ é a constante de Planck ML2/T
Constante de força de Coulomb  \frac{1}{4 \pi \epsilon_0} onde { \epsilon_0 } \ é a permissividade no vácuo M L3/ Q2 T2
Constante de Boltzmann { k } \ M L3/T2K

Expressão de leis físicas em unidades de Planck[editar | editar código-fonte]

 F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}
se converte em
 F = \frac{m_1 m_2}{r^2} utilizando unidades de Planck.

- \frac{\hbar^2}{2m} \nabla^2 \psi(\mathbf{r}, t) + V(\mathbf{r}) \psi(\mathbf{r}, t) =
i \hbar \frac{\partial \psi}{\partial t} (\mathbf{r}, t)
se converte em

- \frac{1}{2m} \nabla^2 \psi(\mathbf{r}, t) + V(\mathbf{r}) \psi(\mathbf{r}, t) =
i \frac{\partial \psi}{\partial t} (\mathbf{r}, t)
  • A energia de uma partícula ou fóton com frequência radiante { \omega } \ em sua função de onda
{ E = \hbar \omega} \
se converte em
{ E = \omega } \
{ E = m c^2} \
se converte em
{ E = m } \
(por exemplo, um corpo com uma massa de 5.000 unidades de Planck de massa tem uma energia intrínseca de 5.000 unidades de Planck de energia) e sua forma completa
{ E^2 = (m c^2)^2 + (p c)^2} \
se converte em
{ E^2 = m^2 + p^2} \
{ G_{\mu \nu} = 8 \pi {G \over c^4} T_{\mu \nu}} \
se converte em
{ G_{\mu \nu} = 8 \pi T_{\mu \nu} } \
  • A unidade de temperatura se define para que a media de energia térmica cinética por partícula por grau de libertade de movimento
{ E = \frac{1}{2} k T } \
se converte em
{ E = \frac{1}{2} T } \
 F = \frac{1}{4 \pi \epsilon_0} \frac{q_1 q_2}{r^2}
se converte em
 F = \frac{q_1 q_2}{r^2} .
\nabla \cdot \mathbf{E} = \frac{1}{\epsilon_0}\rho
\nabla \cdot \mathbf{B} = 0
\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}
\nabla \times \mathbf{B} = \mu_0 \mathbf{J} + \mu_0 \epsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}} {\partial t}
se convertem respectivamente em
\nabla \cdot \mathbf{E} = 4 \pi \rho
\nabla \cdot \mathbf{B} = 0
\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}
\nabla \times \mathbf{B} = 4 \pi \mathbf{J} + \frac{\partial \mathbf{E}} {\partial t}
utilizando as unidades de Planck. (Os fatores  4 \pi \ podem ser eliminados se  \epsilon_0 \ for normalizado, em vez da constante de força de Coulomb  1/(4 \pi \epsilon_0) \ .)

Unidades de Planck básicas[editar | editar código-fonte]

Ao dar valor 1 às cinco constantes fundamentais, as unidades de tempo, comprimento, massa, carga e temperatura se definem assim:

Tabela 2: Unidades de Planck básicas

Nome Dimensão Expressão Equivalência aproximada no Sistema Internacional
Tempo Planck Tempo (T) t_P = \sqrt{\frac{\hbar G}{c^5}} 5.39121 × 10−44 s
Comprimento de Planck Comprimento (L)  l_P = c \ t_P = \sqrt{\frac{\hbar G}{c^3}} 1.61624 × 10−35 m
Massa de Planck Massa (M) m_P = \sqrt{\frac{\hbar c}{G}} 2.17645 × 10−8 kg
Carga de Planck Carga elétrica (Q) q_P = \sqrt{\hbar c 4 \pi \epsilon_0} 1.8755459 × 10−18 C
Temperatura de Planck Temperatura (ML2T−2/k) T_P = \frac{m_P c^2} {k} = \sqrt{\frac{\hbar c^5} {G k^2}} 1.41679 × 1032 K

Unidades de Planck derivadas[editar | editar código-fonte]

Como em outros sistemas de unidades, as magnitudes físicas derivadas podem ser definidas baseando-se nas Unidades de Planck.

Tabela 3: Unidades de Planck derivadas

Nome Dimensão Expressão Equivalência aproximada no Sistema Internacional
Energia de Planck Energia (ML2/T2) E_P = m_P c^2 = \sqrt{\frac{\hbar c^5}{G}} 1.9561 × 109 J
Força de Planck Força (ML/T2) F_P = \frac{E_P}{l_P} = \frac{c^4}{G} 1.21027 × 1044 N
Potência de Planck Potência (ML2/T3) P_P = \frac{E_P}{t_P} = \frac{c^5}{G} 3.62831 × 1052 W
Densidade de Planck Densidade (M/L3) \rho_P = \frac{m_P}{l_P^3} = \frac{c^5}{\hbar G^2} 5.15500 × 1096 kg/m³
Frequência angular de Planck Frequência (1/T) \omega_P = \frac{1}{t_P} = \sqrt{\frac{c^5}{\hbar G}} 1.85487 × 1043 rad/s
Pressão de Planck Pressão (M/LT2) p_P = \frac{F_P}{l_P^2} =\frac{c^7}{\hbar G^2} 4.63309 × 10113 Pa
Corrente elétrica de Planck Corrente elétrica (Q/T) I_P = \frac{q_P}{t_P} = \sqrt{\frac{c^6 4 \pi \epsilon_0}{G}} 3.4789 × 1025 A
Tensão elétrica de Planck Tensão elétrica (ML2/T2Q) V_P = \frac{E_P}{q_P} = \sqrt{\frac{c^4}{G 4 \pi \epsilon_0} } 1.04295 × 1027 V
Resistência elétrica de Planck Resistência (ML2/T Q2) Z_P = \frac{V_P}{I_P} = \frac{1}{4 \pi \epsilon_0 c} = \frac{Z_0}{4 \pi} 2.99792458 × 10¹ Ω

Unidades de Planck simplificam as equações principais da física[editar | editar código-fonte]

Ordinariamente, grandezas físicas que tem diferentes dimensões (tais como tempo e comprimento) não podem ser equiparadas, mesmo que sejam numericamente iguais (1 segundo não é o mesmo que 1 metro). Contudo, em física teórica este critério pode ser anulado de maneira a simplificar cálculos. O processo pelo qual isto é feito é chamado "adimensionalização". A tabela 4 mostra como unidades de Planck, pela escolha dos valores numéricos das cinco constantes fundamentais à unidade, simplificam muitas equações da física e fazem-nas adimensionais.

Tabela 4: Equações adimensionalizadas

Forma usual Forma adimensionalizada
Lei de Newton de Gravitação Universal  F = - G \frac{m_1 m_2}{r^2}  F = - \frac{m_1 m_2}{r^2}
Equação de Schrödinger 
- \frac{\hbar^2}{2m} \nabla^2 \psi(\mathbf{r}, t) + V(\mathbf{r}) \psi(\mathbf{r}, t)
 =
i \hbar \frac{\partial \psi}{\partial t} (\mathbf{r}, t)

- \frac{1}{2m} \nabla^2 \psi(\mathbf{r}, t) + V(\mathbf{r}) \psi(\mathbf{r}, t)
 =
i \frac{\partial \psi}{\partial t} (\mathbf{r}, t)
Relação de Planck relacionando a energia de partícula à frequência angular { \omega } \ de sua função de onda { E = \hbar \omega } \ { E = \omega } \
Equação massa/energia da relatividade restrita de Einstein { E = m c^2} \ { E = m } \
Equações de campo de Einstein da relatividade geral { G_{\mu \nu} = 8 \pi {G \over c^4} T_{\mu \nu}} \ { G_{\mu \nu} = 8 \pi T_{\mu \nu} } \
Energia térmica por partícula por grau de liberdade { E = \frac{1}{2} k T } \ { E = \frac{1}{2} T } \
Lei de Coulomb  F = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} \frac{q_1 q_2}{r^2}  F = \frac{q_1 q_2}{r^2}
Equações de Maxwell \nabla \cdot \mathbf{E} = \frac{1}{\varepsilon_0}\rho

\nabla \cdot \mathbf{B} = 0 \
\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}
\nabla \times \mathbf{B} = \mu_0 \mathbf{J} + \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \mathbf{E}} {\partial t}

\nabla \cdot \mathbf{E} = 4 \pi \rho \

\nabla \cdot \mathbf{B} = 0 \
\nabla \times \mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}} {\partial t}
\nabla \times \mathbf{B} = 4 \pi \mathbf{J} + \frac{\partial \mathbf{E}} {\partial t}

Normalizações alternativas[editar | editar código-fonte]

Como já foi afirmado na introdução, unidade de Planck sãpo derivadas de "normalizar" os valores numéricos de certas constantes fundamentais a 1. Estas normalizações são nem as únicas possíveis, enm necessariamente as melhores. Além disso, a escolha de quais constantes normalizar não é evidente, e os valores das unidades de Planck são ensíveis a esta escolha.

O fator 4π, e múltiplos dele tais como 8π, são ubíquos em fórmulas em física teórica porque é a área da superfície da esfera unitária tridimensional. Por exemplo, campos gravitacionais e elétricos produzidos por cargas pontuais têm simetria esférica.[1] (pgs 214-15) O 4πr2 que aparece no denominador da Lei de Coulomb, por exemplo, reflete o fato que o fluxo do campo elétrico distribui-se uniformemente sobre a superfície da esfera. Se o espaço tem mais dimensões, o fator correspondente a 4π deverá ser diferente.

Em qualquer evento, uma escolha fundamental que tem de ser feita quando se construindo um sistema de unidades naturais é que, se for o adequado, os casos de 4nπ aparecendo nas equações da física serão eliminados através da normalização.

  • Escolhendo ε0 = 1.

Planck normalizou a 1 a constante da força de Coulomb 1/(4πε0) (tal como no sistema CGS de unidades). Isso define a impedância de Planck, ZP como igual a Z0/4π, onde Z0 é a impedância característica do espaço livre. Normalizando a permissividade do espaço livre ε0 a 1 não só faz ZP igual a Z0, mas também elimina 4π das equações de Maxwell. Por outro lado, a forma adimensionalizada da lei de Coulomb irá agora conter um fator of 1/(4π).

  • Escolhendo 4nπG = 1.

Em 1899, a relatividade geral estava alguns anos no futuro, então a lei da gravitação universal de Newton era ainda vista como fundamental, e não como uma aproximação conveniente para o tratamento de "pequenas" velocidades e distâncias. Por isso Planck normalizou a 1 a constante gravitacional G na lei de Newton. Em teorias surgidas após 1899, G é quase sempre multiplicada por 4π ou múltiplos.

Por isso um volume substancial de física teórica descoberta desde Planck (1899) sugere se normalizar a 1 não G mas 4nπG, n = 1, 2, or 4. No entanto, fazê-lo, seria introduzir um factor de 1/(4nπ) na adimencionalizada lei de gravitação universal.

  • Escohendo k to 2.

Isto removeria o fator de 2 na equação adimencionalizada da energia térmica por partícula por grau de liberdade, e não afetaria o valor de qualquer base ou unidades derivadas outras que a temperatura de Planck.

Referências

  1. John D. Barrow, 2002. The Constants of Nature; From Alpha to Omega - The Numbers that Encode the Deepest Secrets of the Universe. Pantheon Books. ISBN 0-375-42221-8.
  2. Raymond Y. Chiao; arXiv:0710.1378v4 Generation and detection of gravitational waves at microwave frequencies by means of a superconducting two-body system - arXiv (em inglês)

Ver também[editar | editar código-fonte]