자연 단위

Natural units

물리학에서 자연 단위는 보편적인 물리 상수만이 상수를 정의하는 데 사용되는 물리적 측정 단위이며, 이러한 각 상수는 양의 일관된 단위로 작용합니다. 예를 들어, 기본 전하 e전하의 자연 단위로 사용될 수 있고, 광속 c는 속도의 자연 단위로 사용될 수 있습니다. 순수하게 자연적인 단위 체계는 모든 단위가 정의되어 있어서 이들 각각이 물리적 상수를 정의하는 힘의 곱으로 표현될 수 있습니다.

그런 다음 비차원화를 통해 물리량을 재정의하여 물리적 법칙의 수학적 표현에서 정의 상수를 생략할 수 있으며, 이는 단순하다는 명백한 이점이 있지만 차원 분석을 위한 정보 손실로 인해 명확성이 손실될 수 있습니다. ec와 같은 상수의 관점에서 표현식의 해석을 배제합니다. 단, 표현식이 어떤 단위(차원 단위)[clarification needed]를 가져야 하는지 알 없습니다. 경우 e, c 등의 올바른 힘의 재삽입 여부는 고유하게 결정될 수 있습니다.

자연 단위의 체계

플랑크 단위

플랑크 단위
표현 거의.
미터법 값
길이 1.616x10m−35[1]
덩어리 2.176x10kg[2]
시간을 5.391x10s−44[3]
온도 1.417x10K32[4]

플랑크 단위 시스템은 다음 정의 상수를 사용합니다.

c, ħ, G, kB,

여기서 c빛의 속도, ħ는 감소된 플랑크 상수, G는 중력 상수, k는 볼츠만 상수입니다.

플랑크 단위는 원형, 물리적 물체, 심지어 기본 입자의 특성 측면에서 정의되지 않은 자연 단위의 시스템을 형성합니다. 그들물리 법칙의 기본 구조만 언급합니다. 일반 상대성 이론에서 cG시공간 구조의 일부이고, ħ은 양자역학의 기초입니다. 이것은 끈 이론을 포함한 양자 중력 이론에서 플랑크 단위를 특히 편리하고 일반적으로 사용할 수 있게 합니다.[citation needed]

플랑크는 길이, 시간, 질량, 온도대한B 자연 단위에 도달하기 위해 보편 상수 G, h, c, k에 기초한 단위만 고려했지만 전자기 단위는 고려하지 않았습니다.[5] 이제 단위의 플랑크 시스템은 플랑크 상수 h 대신에 축소된 플랑크 상수인 ħ를 사용하는 것으로 이해됩니다.

스토니 단위

스토니 단위
표현 거의.
미터법 값
길이 1.380x10m−36[7]
덩어리 1.859x10kg−9[7]
시간을 4.605x10s−45[7]
전하 1.602x10C−19

Stoney 단위 시스템은 다음 정의 상수를 사용합니다.

c, G, ke, e,

여기서 c빛의 속도, G중력 상수, ke 쿨롱 상수, e기본 전하입니다.

조지 존스톤 스토니의 단위 체계는 플랑크의 단위 체계보다 30년 앞서 있습니다. 그는 1874년 영국 협회에 전달된 "자연의 물리적 단위에 관하여"라는 제목의 강의에서 이 아이디어를 발표했습니다.[8] 스토니 단위는 스토니의 제안 이후에야 발견된 플랑크 상수를 고려하지 않았습니다. Stoney 단위와 Planck 단위는 상수 계수 /hc {\{\}/hc만큼 다릅니다.

원자 단위

원자 단위에 대한 상수 정의
표현 메트릭 값
길이 5.292x10m−11
덩어리 9.109x10kg−31
전하 1.602x10C−19

하트리 원자 단위계는 전자 질량 m, 양성자 전하 e, 각운동량 단위 ħ 등의 정의 상수를 사용합니다.

하트리 단위는 더글러스 하트리에 의해 처음 제안되었으며 원자 및 분자 물리학과 화학, 특히 수소 원자를 단순화하기 위해 설계되었습니다.[10]: 349 예를 들어, 하트리 원자 단위에서 수소 원자의 보어 모델에서 바닥 상태의 전자는 궤도 반지름(보어 반지름) a = 1 l, 궤도 속도 = 1 l ⋅t, 각운동량 = 1 m ⋅ ⋅t, 이온화 에너지 = 1/2m 트 등

자연 단위(입자 및 원자 물리학)

표현 메트릭 값
길이 3.862x10m−13[11]
덩어리 9.109x10kg−31[12]
시간을 1.288x10s−21[13]
전하 5.291x10C−19

입자 및 원자 물리학 분야에서만 사용되는 이 자연 단위계는 다음과 같은 정의 상수를 사용합니다.[14]: 509

c, me, ħ, ε0,

여기서 c빛의 속도, m전자 질량, ħ은 감소된 플랑크 상수, ε은 진공 유전율입니다.

SI에서 동일한 표현인 α = e/(4 πc)와 비교할 수 있는 미세 구조 상수에 대한 물리학자의 표현에서 알 수 있듯이 진공 유전율 ε는 암시적으로 비차원화 상수로 사용됩니다.

스트롱유닛

표현 메트릭 값
길이 2.103x10m−16
덩어리 1.673x10kg−27
시간을 7.015x10s−25

상수 정의:

c, mp, ħ.

여기서 mp 양성자 정지 질량입니다. 강한 단위는 "양자역학과 상대성 이론이 보편적이고 양성자가 중심 관심의 대상인 QCD와 핵 물리학에서 작업하기에 편리합니다."[18]

슈뢰딩거 단위

슈뢰딩거 단위
표현 거의.
미터법 값
길이 2.593x10m−32
덩어리 1.859x10kg−9
시간을 1.185x10s−38
전하 1.602x10C−19[19]

슈뢰딩거 단위 체계(오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거의 이름을 따서 명명됨)는 문헌에서 거의 언급되지 않습니다. 정의 상수는 다음과 같습니다.[20][21]

e, ħ, G, ke.

이 단위 시스템에서 빛의 속도는 미세 구조 상수에 반비례하여 변하므로 최근 몇 년 동안 기본 상수의 시간 변동이라는 틈새 가설에 관심을 갖게 되었습니다.[22]

기하학적 단위

상수 정의:

c, G.

일반 상대성 이론에서 사용되는 [23]: 36 기하학적 단위계는 빛의 속도 c와 중력 상수 G가 1로 설정되도록 기본 물리 단위를 선택합니다.

요약표

플랑크 스토니 하트리 입자물리학과 원자물리학 강한. 슈뢰딩거
상수 정의 c displaystyle\ {\k_{\text} e {\text{e}} \ ε 0 {\varepsilon _{0}} hbar} displaystyle\hbar G G}, e e}, ke {\displaystyle k_{\text{e}}
빛의 속도
축소 플랑크 상수
초전하
진공 유전율
중력 상수

위치:

  • α미세구조 상수(α = e / 4 πεħc 0.007297)
  • ηe = Gme2 / ħc1.7518×10−45
  • ηp = Gmp2 / ħc5.9061×10−39
  • 대시(—)는 시스템이 수량을 표현하기에 충분하지 않은 부분을 나타냅니다.

참고 항목

참고사항 및 참고사항

  1. ^ "2018 CODATA Value: Planck length". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20.
  2. ^ "2018 CODATA Value: Planck mass". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20.
  3. ^ "2018 CODATA Value: Planck time". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20.
  4. ^ "2018 CODATA Value: Planck temperature". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20.
  5. ^ 그러나 전하량에 대한 가우스 정의가 사용된 시점에서 독립적인 양으로 간주되지 않는다고 가정하면 4 πε는 정의 상수 목록에 암묵적으로 포함되어 전하 단위 √4 πεħc를 제공합니다.
  6. ^ Tomilin, K.A., 1999, "단위의 자연 시스템: Wayback Machine에서 보관플랑크 시스템 100주년 2020-12-12," 287-296.
  7. ^ a b c d Barrow, John D. (1983), "Natural units before Planck", Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, 24: 24–26
  8. ^ Ray, T.P. (1981). "Stoney's Fundamental Units". Irish Astronomical Journal. 15: 152. Bibcode:1981IrAJ...15..152R.
  9. ^ Shull, H.; Hall, G. G. (1959). "Atomic Units". Nature. 184 (4698): 1559. Bibcode:1959Natur.184.1559S. doi:10.1038/1841559a0. S2CID 23692353.
  10. ^ a b Levine, Ira N. (1991). Quantum chemistry. Pearson advanced chemistry series (4 ed.). Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall International. ISBN 978-0-205-12770-2.
  11. ^ "2018 CODATA Value: natural unit of length". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2020-05-31.
  12. ^ "2018 CODATA Value: natural unit of mass". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2020-05-31.
  13. ^ "2018 CODATA Value: natural unit of time". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2020-05-31.
  14. ^ Guidry, Mike (1991). "Appendix A: Natural Units". Gauge Field Theories. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag. pp. 509–514. doi:10.1002/9783527617357.app1.
  15. ^ Frank Wilczek (2005), "On Absolute Units, I: Choices" (PDF), Physics Today, 58 (10): 12, Bibcode:2005PhT....58j..12W, doi:10.1063/1.2138392, archived from the original (PDF) on 2020-06-13, retrieved 2020-05-31
  16. ^ Frank Wilczek (2006), "On Absolute Units, II: Challenges and Responses" (PDF), Physics Today, 59 (1): 10, Bibcode:2006PhT....59a..10W, doi:10.1063/1.2180151, archived from the original (PDF) on 2017-08-12, retrieved 2020-05-31
  17. ^ Le Système international d’unités [The International System of Units] (PDF) (in French and English) (9th ed.), International Bureau of Weights and Measures, 2019, ISBN 978-92-822-2272-0
  18. ^ Wilczek, Frank (2007). "Fundamental Constants". arXiv:0708.4361 [hep-ph].Wilczek, Frank (2007). "Fundamental Constants". arXiv:0708.4361 [hep-ph].더 보세요.
  19. ^ "2018 CODATA Value: elementary charge". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20.
  20. ^ Stohner, Jürgen; Quack, Martin (2011). "Conventions, Symbols, Quantities, Units and Constants for High-Resolution Molecular Spectroscopy". Handbook of High‐resolution Spectroscopy (PDF). p. 304. doi:10.1002/9780470749593.hrs005. ISBN 9780470749593. Retrieved 19 March 2023.
  21. ^ Duff, Michael James (11 July 2004). "Comment on time-variation of fundamental constants". p. 3. arXiv:hep-th/0208093.
  22. ^ Davis, Tamara Maree (12 February 2004). "Fundamental Aspects of the Expansion of the Universe and Cosmic Horizons". p. 103. arXiv:astro-ph/0402278. In this set of units the speed of light changes in inverse proportion to the fine structure constant. From this we can conclude that if c changes but e and ℏ remain constant then the speed of light in Schrödinger units, cψ changes in proportion to c but the speed of light in Planck units, cP stays the same. Whether or not the "speed of light" changes depends on our measuring system (three possible definitions of the "speed of light" are c, cP and cψ). Whether or not c changes is unambiguous because the measuring system has been defined.
  23. ^ Misner, Charles W.; Thorne, Kip S.; Wheeler, John Archibald (2008). Gravitation (27. printing ed.). New York, NY: Freeman. ISBN 978-0-7167-0344-0.

외부 링크