Unidades de Planck

Las unidades Planck son unidades físicas de medida. El sistema de estas unidades fue desarrollado por primera vez por Max Planck. La definición de las cinco unidades básicas de Planck se basa únicamente en cinco constantes físicas que se encuentran en la naturaleza. Cuando se utilizan las unidades Planck para expresar cualquiera de estas cinco constantes físicas, el valor es 1. Esto permite a los físicos simplificar muchas ecuaciones sobre la ley física. Planck propuso estas unidades en 1899. También se conocen como unidades naturales porque el origen de su definición proviene únicamente de propiedades de la naturaleza y no de ninguna construcción humana. Las unidades de Planck son sólo un sistema de unidades naturales entre otros sistemas. Se consideran únicas, porque estas unidades no se basan en las propiedades de ningún objeto prototipo, o partícula (que se elegiría arbitrariamente) sino que se basan únicamente en las propiedades del espacio libre. Las constantes que las unidades de Planck, por definición, normalizan a 1 son las:

Constante gravitacional, G;
Constante de Planck reducida, ħ;
Velocidad de la luz en el vacío, c;
Constante de Coulomb, 1 4 π ε 0 {\displaystyle \textstyle {\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}} $\textstyle {\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}$ (a veces k _eo k);
La constante de Boltzmann, k _B(a veces k).

Cada una de estas constantes puede asociarse con al menos una teoría física fundamental: c con la relatividad especial, G con la relatividad general y la ley de gravitación universal de Newton, ħ con la mecánica cuántica, ε₀ con la electrostática y k_B con la mecánica estadística y la termodinámica. Las unidades de Planck son muy importantes para la física teórica, porque simplifican varias expresiones algebraicas recurrentes de la ley física. Son especialmente relevantes en la investigación de teorías unificadas como la gravedad cuántica.

A veces, los físicos se refieren a las unidades de Planck de forma semi-humorística como "unidades de Dios". Eliminan la arbitrariedad centrada en el ser humano del sistema de unidades: algunos físicos sostienen que la comunicación con inteligencias extraterrestres tendría que utilizar un sistema de unidades de este tipo para hacer una referencia común a la escala. A diferencia del metro y el segundo, que existen como unidades fundamentales en el sistema SI por razones históricas (en la historia de la humanidad), la longitud de Planck y el tiempo de Planck están conceptualmente vinculados a un nivel físico fundamental.

Las unidades naturales ayudan a los físicos a replantear las preguntas. Frank Wilczek lo expresa de forma sucinta:

...Vemos que la pregunta [planteada] no es: "¿Por qué la gravedad es tan débil?", sino: "¿Por qué la masa del protón es tan pequeña?". Pues en unidades naturales (Planck), la fuerza de la gravedad es simplemente lo que es, una cantidad primaria, mientras que la masa del protón es el diminuto número [1/(13 quintillones)]...

- Junio de 2001 Physics Today

La fuerza de la gravedad es simplemente lo que es y la fuerza electromagnética es simplemente lo que es. La fuerza electromagnética opera sobre una cantidad física diferente (carga eléctrica) que la gravedad (masa), por lo que no puede compararse directamente con la gravedad. Señalar que la gravedad es una fuerza extremadamente débil es, desde el punto de vista de las unidades Planck, como comparar manzanas y naranjas. Es cierto que la fuerza de repulsión electrostática entre dos protones (solos en el espacio libre) supera en gran medida la fuerza de atracción gravitatoria entre los mismos dos protones, y eso se debe a que la carga de los protones es aproximadamente la unidad de carga de Planck, pero la masa de los protones es muy, muy inferior a la masa de Planck.

Preguntas y respuestas

P: ¿Qué son las unidades Planck?

R: Las unidades Planck son unidades físicas de medida desarrolladas por primera vez por Max Planck, basadas en cuatro constantes físicas que se encuentran en la naturaleza. Cuando se utilizan para expresar cualquiera de estas cuatro constantes físicas, el valor es 1.

P: ¿En qué se basan las cuatro unidades básicas de Planck?

R: Las cuatro unidades básicas de Planck se basan únicamente en cuatro constantes físicas encontradas en la naturaleza, que incluyen la velocidad de la luz en el vacío (c), la constante gravitatoria (G), la constante reducida de Planck (ħ) y la constante de Boltzmann (kB).

P: ¿Por qué se llaman unidades naturales?

R: Se llaman unidades naturales porque proceden únicamente de propiedades de la naturaleza y no de ninguna construcción humana.

P: ¿Cómo ayudan las unidades naturales a los físicos?

R: Las unidades naturales ayudan a los físicos a simplificar varias expresiones algebraicas recurrentes de la ley física y a replantear preguntas. También eliminan la arbitrariedad centrada en el ser humano del sistema de unidades.

P: ¿Cada una de estas constantes tiene asociada al menos una teoría física fundamental?

R: c tiene asociada la relatividad especial, G tiene asociada la relatividad general y la ley de gravitación universal de Newton, ħ tiene asociada la mecánica cuántica, ε0 tiene asociada la electrostática y kB tiene asociadas la mecánica estadística y la termodinámica.

P: ¿Por qué a veces se hace referencia a las unidades Planck de forma semihumorística como "unidades de Dios"?

R: Se las puede denominar "Unidades de Dios" porque eliminan la arbitrariedad centrada en el ser humano del sistema de unidades y algunos físicos sostienen que la comunicación con inteligencias extraterrestres tendría que utilizar un sistema de unidades de este tipo para hacer referencia común a la escala.