¿Cómo podemos derivar la masa, la longitud y el tiempo de Planck sin utilizar el análisis dimensional?

La mecánica cuántica nos dice que cada objeto tiene una longitud de onda, llamada longitud de onda de Compton, igual a h / (mc), donde m es la masa del objeto, h es la constante de Planck y c es la velocidad de la luz. Cuando los objetos son mucho más pequeños que su longitud de onda Compton, se comportan mecánicamente cuánticamente, y se puede pensar que se “extienden” sobre una región del espacio de al menos aproximadamente este tamaño.

La relatividad general nos dice que cada objeto tiene una distancia llamada radio de Schwarzschild, donde si apretamos el objeto en una bola con un radio más pequeño que este, se convertirá en un agujero negro, y es igual a 2Gm / c ^ 2, donde G es la constante gravitacional de Newton, m es nuevamente la masa del objeto y c es nuevamente la velocidad de la luz.

Las partículas típicas puntuales (como el electrón) tienen un radio de Schwarzschild que es muuuucho más pequeño que su longitud de onda de Compton, por lo que como se extienden sobre una región (relativamente) grande, no forman un agujero negro. Pero cuanto más masiva es una partícula, más pequeña es su longitud de onda de Compton y, al mismo tiempo, cuanto más masiva es, mayor es su radio de Schwarzschild. Una partícula similar a un punto cuya masa es tan grande que su radio de Schwarzschild es igual a su longitud de onda de Compton se comportaría simultáneamente en forma cuántica, y también tendría su energía concentrada en una región del espacio lo suficientemente pequeña como para formar un agujero negro. Este punto de cruce entre el comportamiento mecánico cuántico y el comportamiento relativista fuertemente general es la masa de Planck. La energía que tendría esa partícula es la energía de Planck, y su longitud de onda de Compton, que también es su radio de Schwarzschild, sería la longitud de Planck.

Cuando estaba aprendiendo física relativista en el pre-Cámbrico, estábamos expuestos a la idea de ‘unidades naturales’, es decir, facilitar todas las matemáticas al normalizar algunas constantes físicas básicas útiles e interesantes de proporcionalidad ( G , c , h-bar y kB) al establecer un valor de 1. Nada de esto cambia la física, solo las unidades que se informan.

Dicho esto, desea saber cómo derivar las unidades naturales de longitud, masa y tiempo que no sean a través del análisis dimensional. Eche un vistazo a las UNIDADES DE PLANCHAS FUNDAMENTALES que, sí, implican un pequeño análisis dimensional pero en general deriva utilizando las constantes físicas.

En cuanto a “¿qué significan?”, Diría que nos dan un vistazo al reino donde la indeterminación cuántica (cortesía de Heisenberg y de Broglie) se topa con la relatividad determinista. ¿Qué significa la velocidad clásica en escalas donde el conocimiento efectivo del tamaño y la posición de sus partículas no se puede determinar con precisión arbitraria, por lo que solo puede decir ‘esta partícula viajó a esta distancia (más o menos un bit) en este tiempo ( que es borroso porque la partícula está un poco extendida) ‘? Alcanza un límite de resolución más allá del cual cualquier intento de aumento de precisión no solo no tiene sentido sino que es imposible. Las unidades de planck reflejan un límite fundamental en nuestra capacidad de medir, y por lo tanto caracterizar, el Universo.

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