天然單位
在物理學中,天然單位是測量的物理單位,其中僅將通用物理常數用作定義常數,因此這些常數中的每一個都充當數量的連貫單位。例如,基本電荷E可以用作自然電荷的單位,並且光C的速度可以用作自然速度單位。純天然的單位系統已定義其所有單元,以便每個單元都可以表示為定義物理常數的能力的產物。
通過非二量化,可以重新定義物理量,以便可以從物理定律的數學表達中省略定義常數,儘管這顯然具有簡單性的優勢,但由於尺寸分析的信息喪失,因此可能導致喪失明確性。它排除了在常數(例如E和C)方面對錶達的解釋,除非已知該表達式應該具有哪些單位(以尺寸為單位)。在這種情況下,可以獨特地確定E , C等正確權力的重新插入。
天然單位系統
斯托尼單位
數量 | 表達 | 大約 度量值 |
---|---|---|
長度 |
|
1.380 × 10 -36 m |
大量的 |
|
1.859 × 10 -9公斤 |
時間 |
|
4.605 × 10 -45 S |
電荷 |
|
1.602 × 10 -19 C |
Stoney單元系統使用以下定義常數:
- C , G , K E , E ,
其中c是光的速度, g是重力常數, k e是庫侖常數,而e是基本電荷。
喬治·約翰斯通·斯托尼(George Johnstone Stoney )的單位系統先於普朗克(Planck)30年。他在題為“關於自然的身體單位”的演講中介紹了這個想法。
普朗克單位
數量 | 表達 | 大約 度量值 |
---|---|---|
長度 |
|
1.616 × 10 -35 m |
大量的 |
|
2.176 × 10 -8公斤 |
時間 |
|
5.391 × 10 -44 S |
溫度 |
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1.417 × 10 32 K |
普朗克單位系統使用以下定義常數:
- c , ħ , g , k b ,
其中c是光的速度, ħ是降低的planck常數, g是重力常數,而k b是玻爾茲曼常數。
普朗克單位形成了一個天然單元系統,該系統未根據任何原型,物理對象甚至基本粒子的特性來定義。它們僅指物理定律的基本結構: C和G是一般相對論時空結構的一部分,而ħ是量子力學的基礎。這使得普朗克單位在量子引力的理論中特別方便且普遍,包括弦理論。
普朗克僅考慮了基於通用常數G , H , C和K B的單元以達到天然單位的長度,時間,質量和溫度,但沒有電磁單元。現在認為,普朗克單元系統使用降低的普朗克常數ħ代替普朗克常數h 。
Schrödinger單位
數量 | 表達 | 大約 度量值 |
---|---|---|
長度 |
|
2.593 × 10 -32 m |
大量的 |
|
1.859 × 10 -9公斤 |
時間 |
|
1.185 × 10 -38 S |
電荷 |
|
1.602 × 10 -19 C |
文獻中很少提到Schrödinger單位系統(以奧地利物理學家Erwinschrödinger的名字命名)。它的定義常數是:
- e , ħ , g , k e 。
幾何單元
定義常數:
- c , g 。
選擇基礎物理單元的幾何單位系統,以使光, C和重力常數G的速度設置為一個。
原子單位
數量 | 表達 | 度量值 |
---|---|---|
長度 |
|
5.292 × 10 -11 m |
大量的 |
|
9.109 × 10 -31公斤 |
時間 |
|
2.419 × 10 -17 S |
電荷 |
|
1.602 × 10 -19 C |
原子單位系統使用以下定義常數:電子質量, m e ,質子, E和角動量的單位的電荷, ħ 。
原子單元首先是由道格拉斯·哈特里(Douglas Hartree)提出的,旨在簡化原子和分子物理和化學,尤其是氫原子。例如,在原子單元中,在氫原子的BOHR模型中,一個處於基態的電子具有軌道半徑,軌道速度等,依此類推。
天然單位(粒子和原子物理學)
數量 | 表達 | 度量值 |
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長度 |
|
3.862 × 10 -13 m |
大量的 |
|
9.109 × 10 -31公斤 |
時間 |
|
1.288 × 10 -21 S |
電荷 |
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5.291 × 10 -19 C |
這種自然單位系統僅在粒子和原子物理領域使用,使用以下定義常數:
- c , m e , ħ , ε0 ,
其中c是光的速度, m e是電子質量, ħ是降低的普朗克常數, ε0是真空介電常數。
真空介電常數ε0被隱式用作非二敏化常數,從物理學家的表達中可以明顯看出精細結構常數,書面α = e 2 /( 4π ) ,可以將其與Si:Si:Si : corpoded contrespodode的表達進行比較。 α = E 2 / ( 4πε0ħC ) 。
強大的單位
數量 | 表達 | 度量值 |
---|---|---|
長度 |
|
2.103 × 10 -16 m |
大量的 |
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1.673 × 10 -27公斤 |
時間 |
|
7.015 × 10 -25 s |
定義常數:
- C , M P , ħ 。
在這裡, m P是質子靜止質量。強大的單位“在QCD和核物理學中的工作方便,量子力學和相對論無處不在,質子是核心利益的對象”。
在這個單位系統中,光速變化與精細結構常數的反比例變化,因此,它在近年來對基本常數的時間變化的利基假設中產生了一些興趣。
匯總表
數量 | 普朗克 | 斯托尼 | 哈特里 | 粒子和原子物理學 | 強的 | Schrödinger |
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定義常數 |
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光速 |
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降低了普朗克常數 |
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基本費用 |
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真空介電常數 |
— |
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— |
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引力常數 |
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在哪裡:
- α是精細結構常數( α = E 2 /4πε0ħC≈0.007297 )
- ηE = gm e 2 / ħc≈ 1.7518 × 10 -45
- ηp = gm p 2 / ħc≈ 5.9061 × 10 -39
- 儀表板( - )指示系統不足以表達數量的位置。