Физическая константа

Физическая константа , иногда фундаментальная физическая константа или универсальная константа , — это физическая величина , которая не может быть объяснена теорией и поэтому должна быть измерена экспериментально. Она отличается от математической константы , которая имеет фиксированное числовое значение, но не требует непосредственного физического измерения.

В науке существует множество физических констант, наиболее широко признанными из которых являются скорость света в вакууме c , гравитационная постоянная G , постоянная Планка h , электрическая постоянная ε ₀ и элементарный заряд e . Физические константы могут принимать различные размерные формы: скорость света означает максимальную скорость любого объекта, а ее размер равен длине, разделенной на время ; а электрону безразмерно . отношение масс протона к

Термин «фундаментальная физическая константа» иногда используется для обозначения универсальных, но размерных физических констант, таких как упомянутые выше. Однако физики все чаще оставляют это выражение для более узкого случая безразмерных универсальных физических констант , таких как константа тонкой структуры α , которая характеризует силу электромагнитного взаимодействия .

Физическую константу, как обсуждается здесь, не следует путать с эмпирическими константами , которые представляют собой коэффициенты или параметры , которые считаются постоянными в данном контексте, но не являются фундаментальными. Примеры включают характерное время , характеристическую длину или характеристическое число (безразмерное) данной системы или константы материала (например, константа Маделунга , электрическое сопротивление и теплоемкость ) конкретного материала или вещества.

Характеристики

Физические константы — это параметры физической теории, которые не могут быть объяснены этой теорией. Это может быть связано с очевидной фундаментальной природой константы или с ограничениями теории. Следовательно, физические константы необходимо измерять экспериментально.

Набор параметров, считающихся физическими константами, меняется по мере изменения физических моделей, и может меняться их фундаментальность. Например, $c$Скорость света изначально считалась свойством света, конкретной системы. Открытие и проверка уравнений Максвелла связывают одну и ту же величину со всей системой — электромагнетизмом . Когда появилась специальная теория относительности , количество стало пониматься как основа причинности. Скорость света настолько фундаментальна, что теперь определяет международную единицу длины .

Отношение к подразделениям

Числовые значения

В то время как физическая величина , обозначаемая физической константой, не зависит от системы единиц, используемой для выражения величины, числовые значения размерных физических констант зависят от выбора системы единиц. Термин «физическая константа» относится к физической величине, а не к числовому значению в любой данной системе единиц. Например, скорость света определяется как имеющая числовое значение 299 792 458 , если выражается в единицах СИ - метрах в секунду, и как числовое значение, равное 1, если выражаться в натуральных единицах планковской длины на планковское время. Хотя ее числовое значение может быть определено по желанию путем выбора единиц, сама скорость света является единой физической константой.

единиц

Основная статья: базовая единица СИ

С мая 2019 года все единицы Международной системы единиц были переопределены с точки зрения фиксированных природных явлений, включая три фундаментальные константы: скорость света в вакууме, с ; Планка постоянная , h ; и элементарный заряд , e .

В результате новых определений единица СИ, такая как килограмм, может быть записана через фундаментальные константы и одну экспериментально измеренную константу Δ ν _Cs :

1 кг = ( 299 792 458 ) ² / ( 6.626 070 15 × 10 ⁻³⁴ )( 9 192 631 770 ) h Δ ν _Cs / c ² .

Натуральные единицы

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 натуральных единиц измерения. В зависимости от выбора и расположения используемых констант полученные натуральные единицы могут быть удобны для области исследования. Например, единицы Планка , построенные из c , G , ħ и k _B , дают удобные единицы измерения для использования в исследованиях квантовой гравитации , а атомные единицы , построенные из ħ , m _e , e и 4 π ε ₀ , дают удобные единицы измерения. по атомной физике . Выбор используемых констант приводит к значительному изменению величин.

Количество фундаментальных констант

Число фундаментальных физических констант зависит от физической теории , принятой как «фундаментальная». теория В настоящее время это общая относительности гравитации и Стандартная модель электромагнитных, слабых и сильных ядерных взаимодействий и полей материи. В совокупности эти теории объясняют в общей сложности 19 независимых фундаментальных констант. Однако не существует единственного «правильного» способа их перечисления, поскольку вопрос произвольного выбора того, какие величины считать «фундаментальными», а какие «производными». Узан перечисляет 22 «фундаментальные константы нашей стандартной модели» следующим образом:

• гравитационная постоянная G ,
• скорость света с ,
• Планка постоянная h ,
• 9 связей Юкавы для кварков и лептонов (эквивалентно указанию массы покоя этих элементарных частиц ),
• 2 параметра потенциала поля Хиггса ,
• 4 параметра для матрицы смешивания кварков ,
• 3 константы связи для калибровочных групп SU(3) × SU(2) × U(1) (или, что то же самое, две константы связи и угол Вайнберга ),
• фаза для вакуума КХД .

Число 19 независимых фундаментальных физических констант может быть изменено при возможных расширениях Стандартной модели , в частности, за счет введения массы нейтрино (эквивалентной семи дополнительным константам, т.е. 3-м связям Юкавы и 4-м параметрам смешивания лептонов ).

Открытие изменчивости любой из этих констант было бы эквивалентно открытию « новой физики ».

Вопрос о том, какие константы являются «фундаментальными», не является ни простым, ни бессмысленным, а является вопросом интерпретации физической теории, считающейся фундаментальной; как отметил Леви-Леблон (1977) , не все физические константы имеют одинаковое значение, причем некоторые играют более глубокую роль, чем другие. Леви-Леблон 1977 предложил схемы классификации трех типов констант:

• А: физические свойства конкретных объектов
• Б: 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 особенно произошло со скоростью света , которая была константой класса А (характеристикой света ), когда она была впервые измерена, но стала константой класса B (характеристикой электромагнитных явлений ) с развитием классического электромагнетизма и, наконец, классом C постоянная с открытием специальной теории относительности .

Тесты на независимость от времени

Основная статья: Изменение фундаментальных констант во времени

По определению, фундаментальные физические константы подлежат измерению , так что их постоянство (независимо как от времени, так и от 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 год).

Гравитационную постоянную гораздо сложнее измерить с точностью, а противоречивые измерения, проведенные в 2000-х годах, послужили поводом для спорных предположений о периодическом изменении ее значения в статье 2015 года. Однако, хотя его значение не известно с большой точностью, возможность наблюдения сверхновых типа Ia , произошедших в далеком прошлом Вселенной, в сочетании с предположением, что физика, вовлеченная в эти события, универсальна, допускает верхнюю границу менее 10 ⁻¹⁰ в год для гравитационной постоянной за последние девять миллиардов лет.

Аналогично верхняя граница изменения отношения масс протона к электрону была установлена ​​на уровне 10 ⁻⁷ в течение 7 миллиардов лет (или 10 ⁻¹⁶ в год) в исследовании 2012 года, основанном на наблюдении метанола в далекой галактике.

Проблематично обсуждать предлагаемую скорость изменения (или ее отсутствие) одномерной физической константы изолированно. Причина этого в том, что выбор единиц произволен, что делает вопрос о том, претерпевает ли изменение константа, артефактом выбора (и определения) единиц.

Например, в единицах СИ скорости света было присвоено определенное значение в 1983 году. Таким образом, имело смысл экспериментально измерить скорость света в единицах СИ до 1983 года, но сейчас это не так. Аналогичным образом, с мая 2019 года постоянная Планка имеет определенное значение, так что все базовые единицы СИ теперь определяются в терминах фундаментальных физических констант. Благодаря этому изменению международный прототип килограмма упраздняется как последний физический объект, используемый при определении любой единицы СИ.

тесты на неизменность физических констант рассматривают безразмерные Чтобы избежать этой проблемы, величины, то есть отношения между величинами одинаковых размеров. Изменения физических констант не имеют смысла, если они приводят к наблюдаемой неразличимой Вселенной. Например, «изменение» скорости света c было бы бессмысленным, если бы оно сопровождалось соответствующим изменением элементарного заряда e, так что выражение e ² /(4π ε ₀ ħc ) (константа тонкой структуры) осталась неизменной.

Безразмерные физические константы

Любое соотношение между физическими константами одних и тех же размеров приводит к безразмерной физической константе , например, отношению масс протона к электрону . Постоянная тонкой структуры α — самая известная безразмерная фундаментальная физическая константа. Это значение квадрата элементарного заряда , выраженное в планковских единицах . Это значение стало стандартным примером при обсуждении выводимости или невыводимости физических констант. Введенный Арнольдом Зоммерфельдом , его значение и неопределенность, определенные на тот момент, соответствовали 1/137. Это побудило Артура Эддингтона (1929) построить аргумент, почему его значение может составлять именно 1/137, что связано с числом Эддингтона , его оценкой количества протонов во Вселенной. К 1940-м годам стало ясно, что значение постоянной тонкой структуры значительно отклоняется от точного значения 1/137, что опровергло аргумент Эддингтона.

Точно настроенная вселенная

Основные статьи: Точно 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 иной, что разумная жизнь, вероятно, не возникла бы, и поэтому наша Вселенная, похоже, идеально приспособлена для разумной жизни. Антропный принцип утверждает логический трюизм : факт нашего существования как разумных существ, способных измерять физические константы, требует, чтобы эти константы были такими, чтобы могли существовать такие существа, как мы. Существуют различные интерпретации значений констант, в том числе интерпретация божественного создателя (кажущаяся точная настройка реальна и преднамеренна) или интерпретация того, что Вселенная представляет собой одну вселенную из многих в мультивселенной ( например, многих миров интерпретация квантовая механика ), или даже что, если информация является врожденным свойством вселенной и логически неотделима от сознания, вселенная без возможности существования сознательных существ не может существовать.

Таблица физических констант

Основная статья: Список физических констант

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

Количество	Символ	Ценить	Родственник стандартный неопределенность
элементарный заряд	$e$	1.602 176 634 × 10 −19 С	0
Ньютоновская постоянная гравитации	$G$	6.674 30 (15) × 10 −11 м 3 ⋅kg −1 ⋅s −2	2.2 × 10 −5
Постоянная Планка	$h$	6.626 070 15 × 10 −34  J⋅Hz −1	0
скорость света в вакууме	$c$	299 792 458  m⋅s −1	0
электрическая проницаемость вакуума	$\varepsilon _{0}$	8.854 187 8188 (14) × 10 −12  F⋅m −1	1.6 × 10 −10
магнитная проницаемость вакуума	$\mu _{0}$	1.256 637 061 27 (20) × 10 −6  N⋅A −2	1.6 × 10 −10
масса электрона	$m_{\mathrm {e} }$	9.109 383 7139 (28) × 10 −31 кг	3.1 × 10 −10
константа тонкой структуры	$\alpha =e^{2}/2\varepsilon _{0}hc$	0.007 297 352 5643 (11)	1.6 × 10 −10
постоянная Джозефсона	$K_{\mathrm {J} }=2e/h$	483 597 .8484... × 10 9  Hz⋅V −1	0
постоянная Ридберга	$R_{\infty }=\alpha ^{2}m_{\mathrm {e} }c/2h$	10 973 731 , 568 157 (12) м −1	1.1 × 10 −12
от постоянной Клитцинга	$R_{\mathrm {K} }=h/e^{2}$	25 812 .807 45 ... Ой	0

См. также

• Список общих физических обозначений

Внешние ссылки

• Шестьдесят символов , Ноттингемский университет.
• ИЮПАК – Золотая книга