Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из универсальных констант )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с безразмерной физической постоянной .

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 сущностей атомарного масштаба.

Выбор единиц [ править ]

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, согласно текущему уровню 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) создать 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 [ править ]

Основная статья: 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 4π ε 0 дают удобные единицы в атомной физике . Выбор используемых констант приводит к широкому изменению величин.

Количество фундаментальных констант [ править ]

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, то есть 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 [ править ]

Основная статья: Изменение фундаментальных констант во 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 за период в 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 было целесообразно 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.

Чтобы избежать этой проблемы, в тестах на неизменность физических констант изучаются безразмерные величины, то есть отношения между величинами одинаковых размеров. 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]

Точно настроенная вселенная [ править ]

Основные статьи: Тонко настроенная вселенная и антропный принцип

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. Существует множество интерпретаций значений констант, в том числе и у божественного создателя.(видимая тонкая настройка актуальна и намеренно), или , что наша является одной вселенной многих в мультивселенной (например, интерпретация многомировая из квантовой механики ), или даже то , что, если информация является врожденным свойством Вселенной и логически неотделимая от сознания, вселенная без способности сознательных существ существовать не может.

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 [ править ]

Основная статья: Список физических констант

В таблице ниже перечислены некоторые часто используемые константы и их рекомендуемые значения CODATA. Более подробный список см. В разделе « Список физических констант» .

КоличествоСимволЗначение [17]Относительная
стандартная
неопределенность
элементарный заряд1,602 176 634 × 10 −19  ° C [18]Точный по определению
Ньютоновская постоянная гравитации6,674 30 (15) × 10 −11  м 3 kg −1 s −2 [19]2,2 × 10 −5
Постоянная Планка6,626 070 15 × 10 −34  Дж⋅Гц −1 [20]Точный по определению
скорость света в вакууме299 792 458  м⋅с −1 [21]Точный по определению
электрическая проницаемость вакуума8,854 187 8128 (13) × 10 −12  Ф · м −1 [22]1,5 × 10 −10
магнитная проницаемость вакуума1,256 637 062 12 (19) × 10 −6  N⋅A −2 [23]1,5 × 10 −10
масса электрона9,109 383 7015 (28) × 10 −31  кг [24]3,0 × 10 −10
fine-structure constant7.2973525693(11)×10−3[25]1.5×10−10
Josephson constant483597.8484...×109 Hz⋅V−1[26]0
Rydberg constant10973731.568160(21) m−1[27]1.9×10−12
von Klitzing constant25812.80745... Ω[28]0

See also[edit]

  • List of common physics notations

References[edit]

  1. ^ "Archived copy". Archived from the original on 2016-01-13. Retrieved 2016-01-14.CS1 maint: archived copy as title (link) NIST
  2. ^ A.S Eddington (1956). "The Constants of Nature". In J.R. Newman (ed.). The World of Mathematics. 2. Simon & Schuster. pp. 1074–1093.
  3. ^ H. Kragh (2003). "Magic Number: A Partial History of the Fine-Structure Constant". Archive for History of Exact Sciences. 57 (5): 395–431. doi:10.1007/s00407-002-0065-7. S2CID 118031104.
  4. ^ Uzan, Jean-Philippe (2011). "Varying Constants, Gravitation and Cosmology". Living Reviews in Relativity. 14 (1): 2. arXiv:1009.5514. Bibcode:2011LRR....14....2U. doi:10.12942/lrr-2011-2. PMC 5256069. PMID 28179829. Any constant varying in space and/or time would reflect the existence of an almost massless field that couples to matter. This will induce a violation of the universality of free fall. Thus, it is of utmost importance for our understanding of gravity and of the domain of validity of general relativity to test for their constancy.
  5. ^ Uzan, Jean-Philippe (2011). "Varying Constants, Gravitation and Cosmology". Living Reviews in Relativity. 14 (1): 2. arXiv:1009.5514. Bibcode:2011LRR....14....2U. doi:10.12942/lrr-2011-2. PMC 5256069. PMID 28179829.
  6. ^ Lévy-Leblond, J. (1977). "On the conceptual nature of the physical constants". La Rivista del Nuovo Cimento. Series 2. 7 (2): 187–214. Bibcode:1977NCimR...7..187L. doi:10.1007/bf02748049. S2CID 121022139.Lévy-Leblond, J.-M. (1979). "The importance of being (a) Constant". In Toraldo di Francia, G. (ed.). Problems in the Foundations of Physics, Proceedings of the International School of Physics 'Enrico Fermi' Course LXXII, Varenna, Italy, July 25 – August 6, 1977. New York: NorthHolland. pp. 237–263.
  7. ^ T. Rosenband; et al. (2008). "Frequency Ratio of Al+ and Hg+ Single-Ion Optical Clocks; Metrology at the 17th Decimal Place". Science. 319 (5871): 1808–12. Bibcode:2008Sci...319.1808R. doi:10.1126/science.1154622. PMID 18323415. S2CID 206511320.
  8. ^ J.D. Anderson; G. Schubert; V. Trimble; M.R. Feldman (April 2015), "Measurements of Newton's gravitational constant and the length of day", EPL, 110 (1): 10002, arXiv:1504.06604, Bibcode:2015EL....11010002A, doi:10.1209/0295-5075/110/10002, S2CID 119293843
  9. ^ J. Mould; S. A. Uddin (2014-04-10), "Constraining a Possible Variation of G with Type Ia Supernovae", Publications of the Astronomical Society of Australia, 31: e015, arXiv:1402.1534, Bibcode:2014PASA...31...15M, doi:10.1017/pasa.2014.9, S2CID 119292899
  10. ^ Bagdonaite, Julija; Jansen, Paul; Henkel, Christian; Bethlem, Hendrick L.; Menten, Karl M.; Ubachs, Wim (December 13, 2012). "A Stringent Limit on a Drifting Proton-to-Electron Mass Ratio from Alcohol in the Early Universe" (PDF). Science. 339 (6115): 46–48. Bibcode:2013Sci...339...46B. doi:10.1126/science.1224898. hdl:1871/39591. PMID 23239626. S2CID 716087.
  11. ^ Moskowitz, Clara (December 13, 2012). "Phew! Universe's Constant Has Stayed Constant". Space.com. Archived from the original on December 14, 2012. Retrieved December 14, 2012.
  12. ^ Michael Duff (2015). "How fundamental are fundamental constants?". Contemporary Physics. 56 (1): 35–47. arXiv:1412.2040. Bibcode:2015ConPh..56...35D. doi:10.1080/00107514.2014.980093 (inactive 2021-01-17).CS1 maint: DOI inactive as of January 2021 (link)
  13. ^ Duff, M. J. (13 August 2002). "Comment on time-variation of fundamental constants". arXiv:hep-th/0208093.
  14. ^ Duff, M. J.; Okun, L. B.; Veneziano, G. (2002). "Trialogue on the number of fundamental constants". Journal of High Energy Physics. 2002 (3): 023. arXiv:physics/0110060. Bibcode:2002JHEP...03..023D. doi:10.1088/1126-6708/2002/03/023. S2CID 15806354.
  15. ^ Barrow, John D. (2002), The Constants of Nature; From Alpha to Omega - The Numbers that Encode the Deepest Secrets of the Universe, Pantheon Books, ISBN 978-0-375-42221-8"[An] important lesson we learn from the way that pure numbers like α define the World is what it really means for worlds to be different. The pure number we call the fine structure constant and denote by α is a combination of the electron charge, e, the speed of light, c, and Planck's constant, h. At first we might be tempted to think that a world in which the speed of light was slower would be a different world. But this would be a mistake. If c, h, and e were all changed so that the values they have in metric (or any other) units were different when we looked them up in our tables of physical constants, but the value of α remained the same, this new world would be observationally indistinguishable from our World. The only thing that counts in the definition of worlds are the values of the dimensionless constants of Nature. If all masses were doubled in value you cannot tell, because all the pure numbers defined by the ratios of any pair of masses are unchanged."
  16. ^ Leslie, John (1998). Modern Cosmology & Philosophy. University of Michigan: Prometheus Books. ISBN 1573922501.
  17. ^ The values are given in the so-called concise form, where the number in parentheses indicates the standard uncertainty referred to the least significant digits of the value.
  18. ^ "2018 CODATA Value: elementary charge". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20. CS1 maint: discouraged parameter (link)
  19. ^ "2018 CODATA Value: Newtonian constant of gravitation". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20. CS1 maint: discouraged parameter (link)
  20. ^ "2018 CODATA Value: Planck constant". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2021-04-28. CS1 maint: discouraged parameter (link)
  21. ^ "2018 CODATA Value: speed of light in vacuum". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20. CS1 maint: discouraged parameter (link)
  22. ^ "2018 CODATA Value: vacuum electric permittivity". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20. CS1 maint: discouraged parameter (link)
  23. ^ "2018 CODATA Value: vacuum magnetic permeability". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20. CS1 maint: discouraged parameter (link)
  24. ^ "2018 CODATA Value: electron mass in u". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20. CS1 maint: discouraged parameter (link)
  25. ^ "2018 CODATA Value: fine-structure constant". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20. CS1 maint: discouraged parameter (link)
  26. ^ "2018 CODATA Value: Josephson constant". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20. CS1 maint: discouraged parameter (link)
  27. ^ "2018 CODATA Value: Rydberg constant". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20. CS1 maint: discouraged parameter (link)
  28. ^ "2018 CODATA Value: von Klitzing constant". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20. CS1 maint: discouraged parameter (link)
  • Mohr, Peter J.; Taylor, Barry N.; Newell, David B. (2008). "CODATA Recommended Values of the Fundamental Physical Constants: 2006" (PDF). Reviews of Modern Physics. 80 (2): 633–730. arXiv:0801.0028. Bibcode:2008RvMP...80..633M. doi:10.1103/RevModPhys.80.633. Archived from the original (PDF) on 2017-10-01.
  • Barrow, John D. (2002), The Constants of Nature; From Alpha to Omega - The Numbers that Encode the Deepest Secrets of the Universe, Pantheon Books, ISBN 978-0-375-42221-8.

External links[edit]

  • Sixty Symbols, University of Nottingham
  • IUPAC - Gold Book