Физическая постоянная - Википедия - Physical constant

Не путать с Безразмерная физическая постоянная.

А физическая константа, иногда фундаментальная физическая постоянная или же универсальная постоянная, это физическое количество который обычно считается универсальным по природе и имеет постоянный стоимость во времени. Это контрастирует с математическая константа, который имеет фиксированное числовое значение, но не предполагает никаких физических измерений.

В науке существует множество физических констант, среди которых наиболее широко признаны скорость света в вакууме c, то гравитационная постоянная грамм, то Постоянная Планка час, то электрическая постоянная ε0, а элементарный заряд е. Физические константы могут принимать много размерный формы: скорость света означает максимум скорость для любого объекта и его измерение является длина деленное на время; в то время как постоянная тонкой структуры α, что характеризует силу электромагнитное взаимодействие, является безразмерный.

Период, термин фундаментальная физическая постоянная иногда используется для обозначения универсальных, но размерных физических констант, таких как упомянутые выше.[1] Однако все чаще физики используют только фундаментальная физическая постоянная за безразмерные физические константы, например, 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 материальные константы (например., Постоянная Маделунга, удельное электрическое сопротивление, и теплоемкость ).

С мая 2019 года все Базовые единицы СИ были определены в терминах физических констант. В итоге пять констант: скорость света в вакууме, c; то Постоянная Планка, час; то элементарный заряд, е; то Константа Авогадро, NА; и Постоянная Больцмана, kB, имеют точные числовые значения, выраженные в единицах СИ. Первые три из этих констант являются фундаментальными константами, тогда как NА и kB носят исключительно технический характер: они не описывают никаких свойств Вселенной, а вместо этого дают только коэффициент пропорциональности для определения единиц, используемых с большим количеством объектов атомарного масштаба.

Выбор единиц

В то время как физическое количество обозначается физической константой, не зависит от системы единиц, используемой для выражения количества, числовые значения размерных физических констант 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 имеющий числовое значение 299792458 когда выражено в Единица СИ метров в секунду, и как имеющий числовое значение 1 при выражении в натуральные единицы Планковская длина по планковскому времени. Хотя ее числовое значение может быть определено по желанию путем выбора единиц, скорость света сама по себе является единственной физической константой.

Любой соотношение между физическими константами одинаковых размеров приводит к безразмерная физическая постоянная, 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, считаются неизменными и не производными из более фундаментальных принципов. Яркие примеры - скорость света. c, а гравитационная постоянная грамм.

В постоянная тонкой структуры α - наиболее известная безразмерная фундаментальная физическая постоянная. Это ценность элементарный заряд в квадрате выражается в Планковские единицы. Это значение стало стандартным примером при обсуждении выводимости или невозможности вывода физических констант. Представлен Арнольд Зоммерфельд, его значение, определенное в то время, соответствовало 1/137. Это мотивировало Артур Эддингтон (1929), чтобы построить аргумент, почему его значение может быть точно 1/137, что связано с Число Эддингтона, его оценка количества 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]

С развитием квантовая химия Однако в 20 веке огромное количество необъяснимых ранее безразмерных физических констант мы успешно вычислено из 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 эти константы принимают 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 побудило попытки антропный объяснения значений некоторых безразмерных фундаментальных физических констант.

Натуральные единицы

Основная статья: Натуральные единицы

Можно комбинировать размерные универсальные физические константы для определения фиксированных величин любого желаемого измерения, и это свойство было использовано 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, Планковские единицы, построенный из c, грамм, час, и kB предоставить единицы измерения удобного размера для использования в исследованиях квантовая гравитация, и Атомные единицы Хартри, построенный из час, ме, е и 4πε0 дать удобные единицы в атомная физика. Выбор используемых констант приводит к широкому изменению величин.

Количество фундаментальных констант

Число фундаментальных физических констант зависит от физическая теория принято как «фундаментальное». В настоящее время это теория общая теория относительности для гравитации и Стандартная модель для 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:

Число из 19 независимых фундаментальных физических констант может быть изменено при возможных расширения Стандартной модели, в частности за счет введения масса нейтрино (эквивалент семи дополнительных констант, т. е. 3 констант Юкавы и 4 лептон смешивание параметры).[4]

Обнаружение изменчивости любой из этих констант было бы эквивалентно открытию "новая физика ".[5]

Вопрос о том, какие константы являются «фундаментальными», не является ни прямым, ни бессмысленным, это вопрос интерпретации физической теории, рассматриваемой как фундаментальная; как указано Леви-Леблон 1977, не все физические константы имеют одинаковое значение, некоторые имеют более глубокую роль, чем другие.Леви-Леблон 1977 предложены 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 особенно случилось с скорость света, которая была константой класса A (характерной для свет ), когда он был впервые измерен, но стал константой класса B (характеристика электромагнитные явления ) с развитием классический электромагнетизм, и, наконец, константа класса C с открытием специальная теория относительности.[6]

Тесты на независимость от времени

Основная статья: Изменение фундаментальных констант во времени

По определению фундаментальные физические постоянные подлежат измерение, так что их постоянство (независимо от времени и места проведения измерения) обязательно является экспериментальным результатом и подлежит проверке.

Поль Дирак в 1937 г. предположил, что физические константы, такие как гравитационная постоянная или постоянная тонкой структуры может со временем измениться пропорционально возраст вселенной. В принципе, эксперименты могут установить только верхнюю границу относительного изменения за год. Для постоянной тонкой структуры эта верхняя граница сравнительно мала, 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 неизвестно с большой точностью, возможность наблюдения сверхновые типа Ia что произошло 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]

Аналогичным образом, верхняя граница изменения отношение масс протона к электрону был размещен на 10−7 в течение 7 миллиардов лет (или 10−16 в год) в исследовании 2012 г., основанном на наблюдении за метанол в далекой галактике.[10][11]

Проблематично обсуждать предлагаемую скорость изменения (или ее отсутствие) одного размерный физическая константа изолированно. 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 Единицы СИ, 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 г., 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.

Тесты на неизменность физических констант смотрите на безразмерный количества, то есть отношения между количествами одинаковых размеров, чтобы избежать этой проблемы. Изменения физических констант не имеют смысла, если они приводят к неотличимый с наблюдений Вселенная. Например, "изменение" скорости света c было бы бессмысленно, если бы сопровождалось соответствующим изменением элементарного заряда е так что соотношение е2/ (4πε0ħc) (постоянная тонкой структуры) не изменилась.[15]

Тонко настроенная вселенная

Основные статьи: Тонко настроенная вселенная и Антропный принцип

Некоторые физики исследовали идею, что если безразмерные физические константы имел бы достаточно разные ценности, наша Вселенная была бы настолько радикально другой, что разумная жизнь, вероятно, не возникла бы, и что наша Вселенная, следовательно, кажется отлаженный 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 логическое трюизм: факт нашего существования как разумных существ, которые могут измерять физические константы, требует, чтобы эти константы были такими, чтобы существа, подобные нам, могли существовать. Существуют различные интерпретации значений констант, в том числе божественный создатель (кажущаяся точная настройка актуальна и преднамерена), или что наша вселенная - одна из многих в мультивселенная (например, многомировая интерпретация из квантовая механика ) или даже что, если информация является врожденным свойством вселенной и логически неотделимая от сознания, вселенная без способности к сознательным существам существовать не может.

Было обнаружено, что фундаментальные константы и количества природы являются отлаженный до такого чрезвычайно узкого диапазона, что если бы это было не так, возникновение и эволюция сознательной жизни во Вселенной не были бы разрешены.[16]

Таблица физических констант

Основная статья: Список физических констант

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

КоличествоСимволЦенить[17]Относительный
стандарт
неуверенность
элементарный заряд1.602176634×10−19 C[18]0
Ньютоновская постоянная гравитации6.67430(15)×10−11 м3⋅кг−1⋅s−2[19]2.2×10−5
Постоянная Планка6.62607015×10−34 J⋅s[20]0
скорость света в вакууме299792458 мес−1[21]0
электрическая проницаемость вакуума8.8541878128(13)×10−12 F⋅m−1[22]1.5×10−10
магнитная проницаемость вакуума1.25663706212(19)×10−6 N⋅A−2[23]1.5×10−10
масса электрона9.1093837015(28)×10−31 кг[24]3.0×10−10
постоянная тонкой структуры7.2973525693(11)×10−3[25]1.5×10−10
Постоянная Джозефсона483597.8484...×109 Гц⋅V−1[26]0
Постоянная Ридберга10973731.568160(21) м−1[27]1.9×10−12
постоянная фон Клитцинга25812.80745... Ω[28]0

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Архивная копия». В архиве из оригинала на 13.01.2016. Получено 2016-01-14.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь) NIST
  2. ^ Эддингтон А.С. (1956). «Константы природы». В Дж. Р. Ньюмане (ред.). Мир математики. 2. Саймон и Шустер. С. 1074–1093.
  3. ^ Х. Краг (2003). "Магическое число: Частичная история постоянной тонкой структуры". Архив истории точных наук. 57 (5): 395–431. Дои:10.1007 / s00407-002-0065-7. S2CID  118031104.
  4. ^ Узан, Жан-Филипп (2011). «Различные константы, гравитация и космология» (PDF). Живые обзоры в теории относительности. 14 (1): 2. arXiv:1009.5514. Bibcode:2011LRR .... 14 .... 2U. Дои:10.12942 / lrr-2011-2. ЧВК  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.
  5. ^ Узан, Жан-Филипп (2011). «Различные константы, гравитация и космология» (PDF). Живые обзоры в теории относительности. 14 (1): 2. Bibcode:2011LRR .... 14 .... 2U. Дои:10.12942 / lrr-2011-2. ЧВК  5256069. PMID  28179829.
  6. ^ Леви-Леблон, Дж. (1977). «О концептуальной природе физических констант». La Rivista del Nuovo Cimento, серия 2. 7 (2): 187–214. Bibcode:1977NCimR ... 7..187L. Дои:10.1007 / bf02748049. S2CID  121022139.Леви-Леблон, Ж.-М. (1979). «Важность быть (а) Постоянным». В Toraldo di Francia, G. (ред.). Проблемы основ физики, Материалы курса LXXII Международной школы физики им. Энрико Ферми, Варенна, Италия, 25 июля - 6 августа 1977 г.. Нью-Йорк: Северная Голландия. С. 237–263.
  7. ^ Т. Розенбанд; и другие. (2008). "Соотношение частот Al+ и Hg+ Одноионно-оптические часы; Метрология до 17-го знака после запятой ». Наука. 319 (5871): 1808–12. Bibcode:2008Научный ... 319.1808R. Дои:10.1126 / science.1154622. PMID  18323415. S2CID  206511320.
  8. ^ Дж. Д. Андерсон; Г. Шуберт; В. Тримбл; М. Р. Фельдман (апрель 2015 г.), «Измерения гравитационной постоянной Ньютона и длины дня», EPL, 110 (1): 10002, arXiv:1504.06604, Bibcode:2015EL .... 11010002A, Дои:10.1209/0295-5075/110/10002, S2CID  119293843
  9. ^ 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 ... 15 млн, Дои:10.1017 / pasa.2014.9, S2CID  119292899
  10. ^ Багдонайте, Юлия; Янсен, Пол; Хенкель, Кристиан; Bethlem, Hendrick L .; Menten, Karl M .; Убахс, Вим (13 декабря 2012 г.). «Строгий предел отношения масс дрейфующих протонов и электронов от алкоголя в ранней Вселенной» (PDF). Наука. 339 (6115): 46–48. Bibcode:2013Наука ... 339 ... 46Б. Дои:10.1126 / science.1224898. HDL:1871/39591. PMID  23239626. S2CID  716087.
  11. ^ Московиц, Клара (13 декабря 2012 г.). «Уф! Постоянная Вселенной осталась постоянной». Space.com. В архиве с оригинала 14 декабря 2012 г.. Получено 14 декабря, 2012.
  12. ^ Майкл Дафф (2015). "Насколько фундаментальны фундаментальные константы?". Современная физика. 56 (1): 35–47. arXiv:1412.2040. Bibcode:2015ConPh..56 ... 35D. Дои:10.1080/00107514.2014.980093 (неактивно 10.11.2020).CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2020 г. (связь)
  13. ^ Дафф, М. Дж. (13 августа 2002 г.). «Прокомментируйте изменение фундаментальных констант во времени». arXiv:hep-th / 0208093.
  14. ^ Дафф, М. Дж .; Окунь, Л. Б .; Венециано, Г. (2002). «Триалог по числу фундаментальных констант». Журнал физики высоких энергий. 2002 (3): 023. arXiv:физика / 0110060. Bibcode:2002JHEP ... 03..023D. Дои:10.1088/1126-6708/2002/03/023. S2CID  15806354.
  15. ^ Барроу, Джон Д. (2002), Константы природы; От альфы к омеге - числа, в которых закодированы самые глубокие тайны Вселенной, Книги Пантеона, ISBN  978-0-375-42221-8"[] Важный урок, который мы извлекаем из того, как чистые числа любят α Определить мир - вот что на самом деле означает быть разными. Чистое число мы называем постоянной тонкой структуры и обозначаем α представляет собой комбинацию заряда электрона, е, скорость света, c, и постоянная Планка, час. Сначала у нас может возникнуть соблазн подумать, что мир, в котором скорость света меньше, будет другим миром. Но это было бы ошибкой. Если c, час, и е 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 остался прежним, этот новый мир будет неотличимый с наблюдений из нашего Мира. Единственное, что имеет значение при определении миров, - это значения безразмерных констант Природы. Вы не можете сказать, если бы все массы были удвоены по величине, потому что все чистые числа, определяемые соотношением любой пары масс, не изменились ".
  16. ^ Лесли, Джон (1998). Современная космология и философия. Мичиганский университет: Книги Прометея. ISBN  1573922501.
  17. ^ Значения указаны в так называемом лаконичная форма, где число в скобках указывает стандартная неопределенность сослался на младшие значащие цифры стоимости.
  18. ^ «2018 CODATA Value: elementary charge». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-05-20.
  19. ^ «2018 CODATA Value: Ньютоновская постоянная гравитации». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-05-20.
  20. ^ «Значение CODATA 2018: постоянная Планка». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-05-20.
  21. ^ «2018 CODATA Value: скорость света в вакууме». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-05-20.
  22. ^ «2018 CODATA Value: вакуумная диэлектрическая проницаемость». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-05-20.
  23. ^ «Значение CODATA 2018: магнитная проницаемость вакуума». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-05-20.
  24. ^ "2018 CODATA Значение: масса электрона в единицах измерения". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-05-20.
  25. ^ «Значение CODATA 2018: постоянная тонкой структуры». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-05-20.
  26. ^ «Значение CODATA 2018: постоянная Джозефсона». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-05-20.
  27. ^ «Значение CODATA 2018: постоянная Ридберга». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-05-20.
  28. ^ «Значение CODATA 2018: постоянная фон Клитцинга». Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности. NIST. 20 мая 2019. Получено 2019-05-20.

внешняя ссылка