普朗克单位

在粒子物理学和物理宇宙学中，普朗克单位是一组专门根据四个通用物理常数定义的测量单位，因此当用这些单位表示时，这些物理常数的数值为1。

最初由德国物理学家马克斯·普朗克于1899年提出，这些单位是一个自然单位系统，因为它们的定义起源仅来自自然属性，而不是来自任何人类构造。普朗克单位只是自然单位的几个系统之一，但普朗克单位不是基于任何原型物体或粒子的属性（其选择本质上是任意的），而只是基于自由空间的属性。它们与量子引力等统一理论的研究有关。

术语普朗克标度是指空间、时间、能量和其他在量级上与相应普朗克单位相似的量。该区域的特征可能是能量约为1019GeV,时间间隔约10-43s和大约的长度10-35m（分别近似为普朗克质量、普朗克时间和普朗克长度的能量当量）。在普朗克尺度上，标准模型、量子场论和广义相对论的预测预计不适用，而引力的量子效应预计将占主导地位。最著名的例子是大约138亿年前宇宙大爆炸后最初10-43秒的条件。

普朗克单位不包含电磁维度。一些作者选择将系统扩展到电磁学，例如，将电常数ε0或4πε0添加到此列表中。同样，作者选择使用系统的变体，为上述四个常量中的一个或多个提供其他数值。

一些普朗克单位，例如时间和长度，太大或太小许多数量级而无法实际使用，因此普朗克单位作为一个系统通常只与理论物理相关。在某些情况下，普朗克单位可能会建议对当前物理理论适用的物理量范围进行限制。例如，我们对大爆炸的理解并没有延伸到普朗克时代，即宇宙的年龄不到一个普朗克时间。描述普朗克时期的宇宙需要一种将量子效应纳入广义相对论的量子引力理论.这样的理论还不存在。

有几个数量在量级上并不“极端”，例如普朗克质量，大约为22微克：与亚原子粒子相比非常大，并且在生物的质量范围内。据推测，它可能是黑洞坍缩形成的近似下限。同样，能量和动量的相关单位也在一些日常现象的范围内。

普朗克单位几乎没有以人类为中心的任意性，但在定义常数方面仍然涉及一些任意选择。与出于历史原因在SI系统中作为基本单位存在的米和秒不同，普朗克长度和普朗克时间在基本物理水平上在概念上是相关联的。因此，自然单位帮助物理学家重新构建问题。FrankWilczek简洁地说：

我们看到的问题不是，“为什么重力如此微弱？”而是“为什么质子的质量这么小？”因为在自然（普朗克）单位中，重力的强度就是它的本质，一个主要的量，而质子的质量是一个很小的数字。

虽然两个质子（单独在自由空间中）之间的静电排斥力确实xxx超过了相同的两个质子之间的引力，但这与两个基本力的相对强度无关。从普朗克单位的角度来看，这是在比较苹果和橙子，因为质量和电荷是不可公度的量。相反，力大小的差异表明质子上的电荷大约是单位电荷，但质子的质量远小于单位质量。

如上所述，普朗克单位是通过将某些基本常数的数值“归一化”为1得出的。这些归一化既不是xxx可能的，也不一定是xxx的。此外，在物理基本方程中出现的因子中，选择哪些因子进行归一化并不明显，普朗克单位的值对这种选择很敏感。

因子4π在理论物理学中无处不在，因为在三维球对称的情况下，半径为r的球体的表面积为4πr2。这与通量的概念一起，是平方反比定律、高斯定律和应用于通量密度的散度算子的基础。例如，点电荷产生的引力场和静电场具有球对称性（Barrow2002:214-15）。4πr2例如，以合理化形式出现在库仑定律的分母中，遵循均匀分布在球体表面上的静电场通量。牛顿万有引力定律也是如此。（如果空间具有三个以上的空间维度，则因子4π将根据更高维度中球体的几何形状而改变。）

因此，因为普朗克开发物理理论的相当体（1899）建议正火不ģ但4πģ（或8πģ）为1。这样做将引入的因素1/4个π（或者1/8个π)转化为万有引力定律的无量纲化形式，符合库仑定律在真空介电常数方面的现代合理化表述。事实上，替代归一化经常保留因素1/4个π在库仑定律的无量纲形式中也是如此，因此电磁学和引力电磁学的无量纲麦克斯韦方程都采用与SI中电磁学的方程相同的形式，它们没有任何4π的因数。当将此应用于电磁常数ε0时，该单位系统称为“合理化”。当另外应用于引力和普朗克单位时，这些被称为合理化的普朗克单位并且在高能物理学中可见。