Физическая константа

редактировать

Универсальная и неизменная физическая величина

A физическая константа, иногда фундаментальная физическая постоянная или универсальная константа - это физическая величина, которая обычно считается универсальной по природе и имеет постоянную значение во времени. Это контрастирует с математической константой , которая имеет фиксированное числовое значение, но не включает напрямую никаких физических измерений.

В науке существует множество физических констант, некоторые из наиболее широко признанных - это скорость света в вакууме c, гравитационная постоянная G, Постоянная Планка h, электрическая постоянная ε0и элементарный заряд e. Физические константы могут принимать многие размерные формы: скорость света означает максимальную скорость для любого объекта, а его размер равен длине, деленной на время ; в то время как постоянная тонкой структуры α, которая характеризует силу электромагнитного взаимодействия, безразмерна.

Термин фундаментальная физическая постоянная иногда используется для обозначения универсального но размерные физические константы, такие как упомянутые выше. Однако все чаще физики используют фундаментальную физическую постоянную только для безразмерных физических констант, таких как постоянная тонкой структуры α.

Физическую константу, 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 "характеристика данной системы или константы материала (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, э; константа Авогадро, N A ; и постоянная Больцмана, k B, имеют точные числовые значения, когда они 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 только дают коэффициент пропорциональности для определения единиц, используемых с большим количеством объектов атомарного масштаба.

Содержание

1 Выбор единиц
- 1.1 Натуральные единицы
2 Количество фундаментальных констант
3 Тесты на независимость от времени
4 Точно настроенная вселенная
5 Таблица физических констант
6 См. Также
7 Ссылки
8 Внешние ссылки

Выбор единиц

В то время как физическая величина, обозначенная физической константой, не зависит от единицы системы, используемой для выражения количества, 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 значение 299792458 при выражении в единицах СИ метров в секунду и как имеющее числовое значение 1 при выражении в натуральные единицы Планковская длина 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 постоянной, например, отношение масс протона к электрону. 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, являются рассматривается как неизменный и не вытекающий из более фундаментальных принципов. Яркими примерами являются скорость света c и гравитационная постоянная G.

постоянная тонкой структуры α является наиболее известной безразмерной фундаментальной физической постоянной. Это значение элементарного заряда в квадрате, выраженное в единицах Планка. Это значение стало стандартным примером при обсуждении выводимости или невозможности вывода физических констант. Введенный Арнольдом Зоммерфельдом, его значение, определенное в то время, соответствовало 1/137. Это побудило Артура Эддингтона (1929) создать аргумент, почему его значение может быть точно 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, опровергая аргумент Эддингтона.

С развитием квантовой химии в Однако в 20 веке огромное количество необъяснимых ранее 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, значительно отличающиеся от тех, которые мы наблюдаем. Например, изменения значения постоянной тонкой структуры на несколько процентов будет достаточно, чтобы исключить такие звезды, как наше Солнце. Это вызвало попытки антропных объяснений 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, единицы Планка, построенные из c, G, ħ, и kB дают единицы измерения удобного размера для использования в исследованиях квантовой гравитации и атомных единиц Хартри, построенные из ħ, me, e и 4πε0, дают удобные единицы в атомной физике. Выбор используемых констант приводит к широкому изменению величин.

Количество фундаментальных констант

Количество фундаментальных физических констант зависит от физической теории, принятой в качестве «фундаментальной». В настоящее время это теория общей теории относительности для гравитации и Стандартная модель для электромагнитных, слабых и сильных ядерных взаимодействий и полей материи. Вместе эти теории составляют 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 c,
постоянная Планка h,
9 связи Юкавы для кварков и лептонов (что эквивалентно заданию массы покоя этих элементарных частиц ),
2 параметров 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 константы могут быть изменены в рамках возможных расширений Стандартной модели, в частности, путем введения массы нейтрино (что эквивалентно семи дополнительным константам, т. е. 3 связи Юкавы и 4 лептонного смешения параметры).

Открытие y изменения любой из этих констант было бы эквивалентно открытию «новой физики ".

. Вопрос о том, какие константы являются« фундаментальными », не является ни прямым, ни бессмысленным, это вопрос интерпретации рассматриваемой физической теории как фундаментальный; как указано Леви-Леблон 1977 г., не все физические константы имеют одинаковое значение, причем некоторые имеют более глубокую роль, чем другие. Леви-Леблон 1977 предложил схемы классификации трех типов констант:

A: физические свойства отдельных 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; в частности, это произошло с скоростью света, которая была константой класса A (характеристика света ), когда она была впервые измерена, но стала константой класса B (характеристика электромагнитные явления ) с развитием классического электромагнетизма и, наконец, константа класса C с открытием специальной теории относительности.

Тесты на независимость от времени

Автор По определению, фундаментальные физические константы подлежат измерению, так что их постоянство (независимо от времени и положения выполнения 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 возраст вселенной. Эксперименты, в принципе, могут установить только верхнюю границу относительного изменения за год. Для постоянной тонкой структуры эта верхняя граница сравнительно низкая, примерно 10 в год (по состоянию на 2008 г.).

Гравитационную постоянную гораздо труднее измерить с точностью, и противоречивые измерения в 2000-х гг. вдохновил спорные предположения о периодическом изменении его стоимости в статье 2015 года. Однако, хотя его значение неизвестно 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 верхняя граница менее 10 в год для гравитационной постоянной за последние девять миллиардов лет.

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

Проблематично обсуждать предложенное скорость изменения (или ее отсутствия) отдельно взятой одномерной физической постоянной. Причина этого в том, что выбор единиц измерения произвольный, поэтому вопрос о том, претерпевает ли константа изменение, является артефактом выбора (и определения) единиц.

Например, в SI единиц, скорость света получила 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.

В тестах на неизменность 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 что отношение e / (4πε 0 ħc) (постоянная тонкой структуры) осталась неизменной.

Тонко настроенная вселенная

Некоторые физики исследовали идею о том, что если безразмерные физические константы имеют достаточно разные значения, наши Вселенная будет настолько радикально отличаться от других, что разумная жизнь, вероятно, не возникнет, и поэтому наша Вселенная кажется тонко настроенной для разумной жизни. Однако фазовое пространство возможных констант и их значений неизвестно, поэтому любые выводы, сделанные на основе таких аргументов, не подтверждаются. Антропный принцип устанавливает логический трюизм : факт нашего существования в качестве разумных существ, которые могут измерять физические константы, требует, чтобы эти константы были такими, чтобы существа, подобные нам, могли существовать. Существует множество интерпретаций значений констант, включая интерпретацию божественного творца (кажущаяся точная настройка фактическая и преднамеренная), или то, что наша вселенная - одна из многих в мультивселенной (например, интерпретация многих миров из квантовой механики ) или даже так, если информация является врожденным свойством вселенной и логически неотделима от сознание, вселенная без способности к сознательным существам 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, происхождение и эволюция сознательной жизни во Вселенной не допускается.

Таблица физических констант

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

Количество	Символ	Значение	Относительная. стандартная. неопределенность
элементарный заряд	$e {\ displaystyle e}$ $e$	1,602176634 × 10 C	0
Ньютоновская постоянная гравитации	$G {\ displaystyle G}$ $G$	6,67430 (15) × 10 м⋅кг⋅с	2,2 × 10
постоянная Планка	$h {\ displaystyle h}$ $h$	6,62607015 × 10 Дж / с	0
скорость света в вакууме	$c {\ displaystyle c}$ $c$	299792458 м ⋅s	0
электрическая диэлектрическая проницаемость вакуума	$ε 0 = 1 / μ 0 c 2 {\ displaystyle \ varepsilon _ {0} = 1 / \ mu _ {0} c ^ {2}}$ ${\ displaystyle \ varepsilon _ {0} = 1 / \ mu _ {0} c ^ {2}}$	8.8541878128 (13) × 10 Ф · м	1,5 · 10
магнитная проницаемость вакуума	$μ 0 {\ displaystyle \ mu _ {0}}$ $\ mu_0$	1,25663706212 (19) × 10 N⋅A	1,5 × 10
масса электрона	$me {\ displaystyle m _ {\ mathrm {e}}}$ ${\ displaystyle m _ {\ mathrm {e}}}$	9,1093837015 (28) × 10 кг	3,0 × 10
постоянная тонкой структуры	$α = e 2/2 ε 0 hc {\ displaystyle \ alpha = e ^ {2} / 2 \ varepsilon _ {0} hc}$ ${\ displaystyle \ альфа = е ^ {2} / 2 \ varepsilon _ {0} hc}$	7.2973525693 (11) × 10	1,5 × 10
постоянная Джозефсона	$KJ = 2 e / h {\ displaystyle K _ {\ mathrm {J}} = 2e / h}$ ${\ displaystyle K _ {\ mathrm {J}} = 2e / h}$	483597.8484... × 10 Гц⋅V	0
постоянная Ридберга	$R ∞ = α 2 mec / 2 час {\ displaystyle R _ {\ infty} = \ alpha ^ {2} m _ {\ mathrm {e}} c / 2h}$ ${\ displaystyle R _ {\ infty} = \ alpha ^ {2} m _ {\ mathrm {e}} c / 2h}$	10973731.568160 (21) m	1,9 × 10
фон Константа Клитцинга	$RK = h / e 2 {\ displaystyle R _ {\ mathrm {K}} = h / e ^ {2}}$ ${\ displaystyle R _ {\ mathrm {K}} = h / e ^ {2}}$	25812.80745... Ω	0