Физическая константа , иногда фундаментальная физическая константа или универсальная константа , является физической величиной , которая , как правило , считается, что , как универсальный характер и имеют постоянное значение во времени. Это контрастирует с математической константой , которая имеет фиксированное числовое значение, но напрямую не связано с какими-либо физическими измерениями.
В науке существует множество физических констант, среди которых наиболее широко известны скорость света в вакууме c , гравитационная постоянная G , постоянная Планка h , электрическая постоянная ε 0 и элементарный заряд e . Физические константы могут принимать различные пространственные формы: скорость света означает максимальную скорость для любого объекта и его размер в длину делится на время ; а постоянная тонкой структуры α , характеризующая прочностьэлектромагнитное взаимодействие , безразмерно .
Термин фундаментальная физическая константа иногда используется для обозначения универсальных, но размерных физических констант, таких как упомянутые выше. [1] Однако все чаще физики используют фундаментальную физическую константу только для безразмерных физических констант , таких как постоянная тонкой структуры α .
Физическую постоянную, как обсуждается здесь, не следует путать с другими величинами, называемыми «константами», которые считаются постоянными в данном контексте, но не являются фундаментальными, такими как « постоянная времени », характерная для данной системы, или материальные постоянные ( например, постоянная Маделунга , удельное электрическое сопротивление и теплоемкость ).
С мая 2019 года все базовые единицы СИ были определены в терминах физических констант. В результате пять констант: скорость света в вакууме c ; постоянная Планка , ч ; элементарный заряд , е ; Авогадро , N ; и постоянная Больцмана , к Б , которые известны точные численные значения , когда выражены в единицах СИ. Первые три из этих констант являются фундаментальными константами, тогда как N A и k B имеют только технический характер: они не описывают никаких свойств Вселенной, а вместо этого дают только коэффициент пропорциональности для определения единиц, используемых с большим количеством атомных элементов. -масштабные сущности.
Выбор единиц
В то время как физическая величина, обозначенная физической константой, не зависит от системы единиц, используемой для выражения величины, числовые значения размерных физических констант действительно зависят от выбора системы единиц. Термин «физическая постоянная» относится к физической величине, а не к числовому значению в любой данной системе единиц. Например, скорость света определяется как имеющая числовое значение299 792 458 при выражении в единицах СИ - метры в секунду, и как имеющие числовое значение 1 при выражении в натуральных единицах планковской длины за планковское время. Хотя ее числовое значение может быть определено по желанию путем выбора единиц, скорость света сама по себе является единственной физической константой.
Любое соотношение между физическими константами одинаковых размеров приводит к безразмерной физической константе , например, отношение масс протона к массе электрона . Любая связь между физическими величинами может быть выражена как связь между безразмерными отношениями с помощью процесса, известного как обезразмеривание .
Термин «фундаментальная физическая константа» зарезервирован для физических величин, которые, в соответствии с текущим уровнем знаний, считаются неизменными и не выводимыми из более фундаментальных принципов. Известные примеры являются скоростью света с , и гравитационной постоянной G .
Постоянная тонкой структуры α является наиболее известной безразмерной фундаментальной физической постоянной. Это величина квадрата элементарного заряда, выраженная в единицах Планка . Это значение стало стандартным примером при обсуждении выводимости или невозможности вывода физических констант. Представленный Арнольдом Зоммерфельдом , его стоимость, определенная в то время, соответствовала 1/137. Это побудило Артура Эддингтона (1929) построить аргумент, почему его значение может быть точно 1/137, что связано с числом Эддингтона , его оценкой числа протонов во Вселенной. [2] К 1940-м годам стало ясно, что значение постоянной тонкой структуры значительно отклоняется от точного значения 1/137, опровергая аргумент Эддингтона. [3]
Однако с развитием квантовой химии в 20 веке огромное количество ранее необъяснимых безразмерных физических констант было успешно вычислено на основе теории. В свете этого некоторые физики-теоретики все еще надеются на дальнейший прогресс в объяснении значений других безразмерных физических констант.
Известно, что Вселенная была бы совсем другой, если бы эти константы принимали значения, существенно отличающиеся от наблюдаемых нами. Например, изменения значения постоянной тонкой структуры на несколько процентов будет достаточно, чтобы исключить такие звезды, как наше Солнце. Это вызвало попытки антропного объяснения значений некоторых безразмерных фундаментальных физических констант.
Натуральные единицы
Можно комбинировать размерные универсальные физические константы для определения фиксированных величин любого желаемого измерения, и это свойство использовалось для построения различных систем естественных единиц измерения. В зависимости от выбора и расположения используемых констант полученные натуральные единицы могут быть удобны для области исследования. Например, Планка единиц , построены из C , G , ħ , и к B дают удобно размера единицы измерения для использования в исследованиях квантовой гравитации , и ХАРТРИ атомные единицы , построенные из ħ , м е , е и 4 л & epsi ; 0 дают удобный единиц атомной физики . Выбор используемых констант приводит к широкому изменению величин.
Количество фундаментальных констант
Число фундаментальных физических констант зависит от физической теории, принятой в качестве «фундаментальной». В настоящее время это общая теория относительности гравитации и Стандартная модель электромагнитных, слабых и сильных ядерных взаимодействий и полей материи. Вместе эти теории учитывают в общей сложности 19 независимых фундаментальных констант. Однако не существует единого «правильного» способа их перечисления, поскольку это вопрос произвольного выбора, какие величины считать «основными», а какие - «производными». Узан (2011) перечисляет 22 «неизвестных константы» в фундаментальных теориях, которые приводят к 19 «неизвестным безразмерным параметрам», а именно:
- гравитационная постоянная G ,
- скорость света с ,
- постоянная Планка ч ,
- 9 юкавских связей для кварков и лептонов (что эквивалентно заданию массы покоя этих элементарных частиц ),
- 2 параметра потенциала поля Хиггса ,
- 4 параметра для матрицы смешения кварков ,
- 3 константы связи для калибровочных групп SU (3) × SU (2) × U (1) (или, что эквивалентно, две константы связи и угол Вайнберга ),
- фаза для вакуума КХД .
Число 19 независимых фундаментальных физических констант может быть изменено в рамках возможных расширений Стандартной модели , в частности, путем введения массы нейтрино (эквивалентной семи дополнительным константам, т. Е. 3 юкавским константам связи и 4 параметрам смешивания лептонов ). [4]
Открытие изменчивости любой из этих констант было бы эквивалентно открытию « новой физики ». [5]
Вопрос о том, какие константы являются «фундаментальными», не является ни прямым, ни бессмысленным, это вопрос интерпретации физической теории, считающейся фундаментальной; как указывал Леви-Леблон 1977 г. , не все физические константы имеют одинаковое значение, причем одни играют более глубокую роль, чем другие. Леви-Леблон 1977 предложил схемы классификации трех типов констант:
- A: физические свойства конкретных объектов
- B: характеристика класса физических явлений
- C: универсальные константы
Одна и та же физическая константа может переходить из одной категории в другую по мере углубления понимания ее роли; это, в частности, произошло со скоростью света , которая была константой класса A (характеристика света ), когда она была впервые измерена, но стала константой класса B (характеристика электромагнитных явлений ) с развитием классического электромагнетизма и, наконец, классом Константа C с открытием специальной теории относительности . [6]
Тесты на независимость от времени
По определению, фундаментальные физические константы подлежат измерению , поэтому их постоянство (независимо от времени и места проведения измерения) обязательно является экспериментальным результатом и подлежит проверке.
Поль Дирак в 1937 году предположил, что физические константы, такие как гравитационная постоянная или постоянная тонкой структуры, могут изменяться со временем пропорционально возрасту Вселенной . Эксперименты, в принципе, могут установить только верхнюю границу относительного изменения за год. Для постоянной тонкой структуры эта верхняя граница сравнительно низкая, примерно 10 -17 в год (по состоянию на 2008 г.). [7]
Гравитационную постоянную гораздо труднее измерить с точностью, и противоречивые измерения в 2000-х годах вдохновили спорные предположения о периодическом изменении ее значения в статье 2015 года. [8] Однако, хотя его значение не известно с большой точностью, возможность наблюдения сверхновых типа Ia, которые произошли в далеком прошлом Вселенной, в сочетании с предположением, что физика, вовлеченная в эти события, является универсальной, позволяет получить верхнюю границу менее 10 −10 в год для гравитационной постоянной за последние девять миллиардов лет. [9]
Точно так же верхняя граница изменения отношения масс протонов к массам электронов была помещена в 10-7 в течение 7 миллиардов лет (или 10-16 в год) в исследовании 2012 года, основанном на наблюдении метанола в далекая галактика. [10] [11]
Проблематично отдельно обсуждать предлагаемую скорость изменения (или ее отсутствие) одномерной физической постоянной. Причина этого в том, что выбор единиц измерения является произвольным, поэтому вопрос о том, претерпевает ли константа изменение, является артефактом выбора (и определения) единиц. [12] [13] [14]
Например, в единицах СИ скорости света было дано определенное значение в 1983 году. Таким образом, до 1983 года имело смысл экспериментально измерить скорость света в единицах СИ, но сейчас это не так. Аналогичным образом, начиная с мая 2019 года, постоянная Планка имеет определенное значение, так что все базовые единицы СИ теперь определены в терминах фундаментальных физических констант. С этим изменением международный прототип килограмма удаляется как последний физический объект, используемый в определении любой единицы СИ.
При проверке неизменности физических констант изучаются безразмерные величины, то есть отношения между величинами одинаковых размеров, чтобы избежать этой проблемы. Изменения физических констант не имеют смысла, если они приводят к неразличимой с точки зрения наблюдений Вселенной. Например, «изменение» скорости света c было бы бессмысленным, если бы сопровождалось соответствующим изменением элементарного заряда e так, чтобы отношение e 2 / (4π ε 0 c ) (постоянная тонкой структуры) оставалось неизменным. [15]
Тонко настроенная вселенная
Некоторые физики исследовали идею о том, что если бы безразмерные физические константы имели достаточно разные значения, наша Вселенная была бы настолько радикально другой, что разумная жизнь, вероятно, не возникла бы, и что наша Вселенная, таким образом, кажется, точно настроена для разумной жизни. Однако фазовое пространство возможных констант и их значений неизвестно, поэтому любые выводы, сделанные на основе таких аргументов, не подтверждаются. Антропный принцип утверждает логический трюизм : факт нашего существования как разумных существ, которые могут измерять физические константы, требует, чтобы эти константы были такими, чтобы существа, подобные нам, могли существовать. Есть различные интерпретации значений констант, что из включая божественного создателя (кажущаяся тонкая настройка актуальна и намеренно), или , что наша одна вселенная многих в мультивселенной (например, многомировой интерпретации в квантовой механика ), или даже что, если информация является врожденным свойством вселенной и логически неотделима от сознания, вселенная без способности к сознательным существам не может существовать.
Было обнаружено, что фундаментальные константы и количества природы точно настроены на такой чрезвычайно узкий диапазон, что если бы это было не так, возникновение и эволюция сознательной жизни во Вселенной не были бы разрешены. [16]
Таблица физических констант
В таблице ниже перечислены некоторые часто используемые константы и их рекомендуемые значения CODATA. Более подробный список см. В разделе « Список физических констант» .
Количество | Символ | Значение [17] | Относительная стандартная неопределенность |
---|---|---|---|
элементарный заряд | 1,602 176 634 × 10 −19 ° C [18] | Точный по определению | |
Ньютоновская постоянная гравитации | 6,674 30 (15) × 10 −11 м 3 kg −1 s −2 [19] | 2,2 × 10 −5 | |
Постоянная Планка | 6,626 070 15 × 10 −34 Дж⋅Гц −1 [20] | Точный по определению | |
скорость света в вакууме | 299 792 458 м⋅с −1 [21] | Точный по определению | |
электрическая проницаемость вакуума | 8,854 187 8128 (13) × 10 −12 Ф · м −1 [22] | 1,5 × 10 −10 | |
магнитная проницаемость вакуума | 1,256 637 062 12 (19) × 10 −6 N⋅A −2 [23] | 1,5 × 10 −10 | |
масса электрона | 9,109 383 7015 (28) × 10 −31 кг [24] | 3,0 × 10 −10 | |
постоянная тонкой структуры | 7,297 352 5693 (11) × 10 −3 [25] | 1,5 × 10 −10 | |
Постоянная Джозефсона | 483 597 .8484 ... × 10 9 Гц⋅В −1 [26] | 0 | |
Постоянная Ридберга | 10 973 731 0,568 160 (21) м -1 [27] | 1,9 × 10 −12 | |
постоянная фон Клитцинга | 25 812 .807 45 ... Ом [28] | 0 |
Смотрите также
- Список общих обозначений физики
Рекомендации
- ^ «Основные физические константы из NIST» . Архивировано 13 января 2016 года . Проверено 14 января 2016 . NIST
- ^ А.С. Эддингтон (1956). «Константы природы». В JR Newman (ред.). Мир математики . 2 . Саймон и Шустер . С. 1074–1093.
- ^ Х. Краг (2003). "Магическое число: Частичная история постоянной тонкой структуры". Архив истории точных наук . 57 (5): 395–431. DOI : 10.1007 / s00407-002-0065-7 . S2CID 118031104 .
- ^ Узан, Жан-Филипп (2011). «Переменные константы, гравитация и космология» . Живые обзоры в теории относительности . 14 (1): 2. arXiv : 1009.5514 . Bibcode : 2011LRR .... 14 .... 2U . DOI : 10.12942 / lrr-2011-2 . PMC 5256069 . PMID 28179829 .
Любая постоянная, изменяющаяся в пространстве и / или во времени, будет отражать существование почти безмассового поля, которое соединяется с материей. Это вызовет нарушение универсальности свободного падения. Таким образом, для нашего понимания гравитации и области применимости общей теории относительности крайне важно проверить их постоянство.
- ^ Узан, Жан-Филипп (2011). «Переменные константы, гравитация и космология» . Живые обзоры в теории относительности . 14 (1): 2. arXiv : 1009.5514 . Bibcode : 2011LRR .... 14 .... 2U . DOI : 10.12942 / lrr-2011-2 . PMC 5256069 . PMID 28179829 .
- ^ Леви-Леблон, Дж. (1977). «О концептуальной природе физических констант». Ла Ривиста дель Нуово Чименто . Серия 2. 7 (2): 187–214. Bibcode : 1977NCimR ... 7..187L . DOI : 10.1007 / bf02748049 . S2CID 121022139 .Леви-Леблон, Ж.-М. (1979). «Важность быть (а) Постоянным». В Toraldo di Francia, G. (ред.). Проблемы в основах физики, Труды Международной школы физики «Энрико Ферми» Курс LXXII, Варенном, Италия, 25 июля - 6 августа 1977 года . Нью-Йорк: Северная Голландия. С. 237–263.
- ^ Т. Розенбанд; и другие. (2008). "Соотношение частот одноионных оптических часов Al + и Hg + ; Метрология до 17-го знака после запятой" . Наука . 319 (5871): 1808–12. Bibcode : 2008Sci ... 319.1808R . DOI : 10.1126 / science.1154622 . PMID 18323415 . S2CID 206511320 .
- ^ JD Андерсон; Г. Шуберт; В. Тримбл; MR Feldman (апрель 2015 г.), «Измерения гравитационной постоянной Ньютона и длины дня», EPL , 110 (1): 10002, arXiv : 1504.06604 , Bibcode : 2015EL .... 11010002A , doi : 10.1209 / 0295-5075 / 110/10002 , S2CID 119293843
- ^ J. Mold; С.А. Уддин (2014-04-10), «Ограничение возможного изменения G с помощью сверхновых типа Ia», Публикации Астрономического общества Австралии , 31 : e015, arXiv : 1402.1534 , Bibcode : 2014PASA ... 31 ... 15M , DOI : 10,1017 / pasa.2014.9 , S2CID 119292899
- ^ Багдонайте, Юлия; Янсен, Пол; Хенкель, Кристиан; Bethlem, Hendrick L .; Menten, Karl M .; Убахс, Вим (13 декабря 2012 г.). «Строгий предел отношения масс дрейфующих протонов к электронам из спирта в ранней Вселенной» (PDF) . Наука . 339 (6115): 46–48. Bibcode : 2013Sci ... 339 ... 46B . DOI : 10.1126 / science.1224898 . ЛВП : 1871/39591 . PMID 23239626 . S2CID 716087 .
- ^ Московиц, Клара (13 декабря 2012 г.). «Уф! Постоянная Вселенной осталась постоянной» . Space.com . Архивировано 14 декабря 2012 года . Проверено 14 декабря 2012 года .
- ^ Майкл Дафф (2015). "Насколько фундаментальны фундаментальные константы?" . Современная физика . 56 (1): 35–47. arXiv : 1412.2040 . Bibcode : 2015ConPh..56 ... 35D . DOI : 10,1080 / 00107514.2014.980093 (неактивный 31 мая 2021).CS1 maint: DOI неактивен с мая 2021 г. ( ссылка )
- ^ Дафф, MJ (13 августа 2002 г.). «Прокомментируйте изменение фундаментальных констант во времени». arXiv : hep-th / 0208093 .
- ^ Дафф, MJ; Окунь, ЛБ; Венециано, Г. (2002). «Триалог по числу фундаментальных констант». Журнал физики высоких энергий . 2002 (3): 023. arXiv : Physics / 0110060 . Bibcode : 2002JHEP ... 03..023D . DOI : 10.1088 / 1126-6708 / 2002/03/023 . S2CID 15806354 .
- ^ Барроу, Джон Д. (2002), Константы природы; От альфы к омеге - числа, закодирующие самые глубокие тайны Вселенной , Книги Пантеона, ISBN 978-0-375-42221-8«[] Важный урок, который мы извлекаем из того, как чистые числа, такие как α, определяют Мир, - это то, что на самом деле означает для миров быть разными. Чистое число, которое мы называем постоянной тонкой структуры и обозначаем α, представляет собой комбинацию заряда электрона , e , скорость света, c , и постоянная Планка, h . Сначала мы могли бы подумать, что мир, в котором скорость света меньше, будет другим миром. Но это было бы ошибкой. Если бы c , h и e были изменены так, что их значения в метрических (или любых других) единицах были разными, когда мы искали их в наших таблицах физических констант, но значение α осталось прежним, этот новый мир будет Наблюдательно неотличим от нашего Мира. Единственное, что учитывается в определении миров, - это значения безразмерных констант Природы. Если бы все массы были удвоены по значению, вы не можете сказать, потому что все чистые числа, определяемые отношениями любой пары массы не изменились ".
- ^ Лесли, Джон (1998). Современная космология и философия . Мичиганский университет: Книги Прометея. ISBN 1573922501.
- ^ Значения даны в так называемой краткой форме , где число в скобках указывает стандартную неопределенность, относящуюся к младшим разрядам значения.
- ^ «2018 CODATA Value: elementary charge» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . 20 мая 2019 . Проверено 20 мая 2019 .
- ^ «2018 CODATA Value: Ньютоновская постоянная гравитации» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . 20 мая 2019 . Проверено 20 мая 2019 .
- ^ «Значение CODATA 2018: постоянная Планка» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . 20 мая 2019 . Проверено 28 апреля 2021 .
- ^ «2018 CODATA Value: скорость света в вакууме» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . 20 мая 2019 . Проверено 20 мая 2019 .
- ^ «2018 CODATA Значение: электрическая проницаемость вакуума» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . 20 мая 2019 . Проверено 20 мая 2019 .
- ^ «2018 CODATA Value: вакуумная магнитная проницаемость» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . 20 мая 2019 . Проверено 20 мая 2019 .
- ^ «2018 CODATA Value: масса электрона в единицах измерения» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . 20 мая 2019 . Проверено 20 мая 2019 .
- ^ «Значение CODATA 2018: постоянная тонкой структуры» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . 20 мая 2019 . Проверено 20 мая 2019 .
- ^ «Значение CODATA 2018: постоянная Джозефсона» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . 20 мая 2019 . Проверено 20 мая 2019 .
- ^ «Значение CODATA 2018: постоянная Ридберга» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . 20 мая 2019 . Проверено 20 мая 2019 .
- ^ «Значение CODATA 2018: постоянная фон Клитцинга» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . 20 мая 2019 . Проверено 20 мая 2019 .
- Мор, Питер Дж .; Тейлор, Барри Н .; Ньюэлл, Дэвид Б. (2008). «Рекомендуемые значения фундаментальных физических констант CODATA: 2006» (PDF) . Обзоры современной физики . 80 (2): 633–730. arXiv : 0801.0028 . Bibcode : 2008RvMP ... 80..633M . DOI : 10.1103 / RevModPhys.80.633 . Архивировано из оригинального (PDF) 01.10.2017.
- Барроу, Джон Д. (2002), Константы природы; От альфы к омеге - числа, закодирующие самые глубокие тайны Вселенной , Книги Пантеона, ISBN 978-0-375-42221-8.
Внешние ссылки
- Шестьдесят символов , Ноттингемский университет
- ИЮПАК - Золотая книга