Физическая константа , иногда фундаментальная физическая константа или универсальная константа , — это физическая величина , которая не может быть объяснена теорией и, следовательно, должна быть измерена экспериментально. Она отличается от математической константы , которая имеет фиксированное числовое значение, но не подразумевает непосредственно никаких физических измерений.
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 иметь множество размерных форм: скорость света означает максимальную скорость для любого объекта, а ее размерность — это длина, деленная на время ; в то время как отношение масс протона и электрона является безразмерным .
Термин «фундаментальная физическая константа» иногда используется для обозначения универсальных, но размерных физических констант, таких как упомянутые выше. [1] Однако физики все чаще резервируют это выражение для более узкого случая безразмерных универсальных физических констант , таких как постоянная тонкой структуры α , которая характеризует силу электромагнитного взаимодействия .
Физические константы, как обсуждается здесь, не следует путать с эмпирическими константами , которые являются коэффициентами или параметрами, которые считаются постоянными в данном контексте, не будучи при этом фундаментальными. [2] Примерами являются характерное время , характерная длина или характерное число (безразмерное) данной системы или материальные константы (например, постоянная Маделунга , электрическое сопротивление и теплоемкость ) конкретного материала или вещества.
Физические константы — это параметры в физической теории, которые не могут быть объяснены этой теорией. Это может быть связано с кажущейся фундаментальной природой константы или с ограничениями в теории. Следовательно, физические константы должны быть измерены экспериментально. [3] : 9
Набор параметров, считающихся физическими константами, изменяется по мере изменения физических моделей, и то, насколько фундаментальными они кажутся, может измениться. Например, скорость света изначально считалась свойством света, определенной системы. Открытие и проверка уравнений Максвелла связывают одну и ту же величину со всей системой, электромагнетизмом . Когда возникла специальная теория относительности , величина стала пониматься как основа причинности. [3] Скорость света настолько фундаментальна, что теперь определяет международную единицу длины .
В то время как физическая величина, обозначенная 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 заданной системе единиц. Например, скорость света определяется как имеющая числовое значение299 792 458 , если выражено в единицах СИ метров в секунду, и как имеющее численное значение 1, если выражено в естественных единицах длины Планка за время Планка. Хотя ее численное значение может быть определено по желанию выбором единиц, сама скорость света является единой физической константой.
Начиная с пересмотра 2019 года , все единицы в Международной системе единиц были определены в терминах фиксированных природных явлений, включая три фундаментальные константы: скорость света в вакууме, c ; постоянную Планка, h ; и элементарный заряд , e . [4] : 128
В результате новых определений единица СИ, такая как килограмм, может быть записана через фундаментальные константы и одну экспериментально измеренную константу Δ ν Cs : [4] : 131
Можно объединить размерные универсальные физические константы для определения фиксированных величин любой желаемой размерности, и это свойство использовалось для построения различных систем естественных единиц измерения. В зависимости от выбора и расположения используемых констант, полученные естественные единицы могут быть удобны для области исследования. Например, единицы Планка, построенные из c , G , ħ и kB , 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 в атомной физике . Выбор используемых констант приводит к сильно различающимся величинам.
Число фундаментальных физических констант зависит от физической теории, принятой в качестве «фундаментальной». В настоящее время это общая теория относительности для гравитации и Стандартная модель для электромагнитных, слабых и сильных ядерных взаимодействий и полей материи. Вместе эти теории насчитывают в общей сложности 19 независимых фундаментальных констант. Однако не существует единого «правильного» способа их перечисления, поскольку это вопрос произвольного выбора, какие величины считать «фундаментальными», а какие — «производными». Узан [3] перечисляет 22 «фундаментальные константы нашей стандартной модели» следующим образом:
Число 19 независимых фундаментальных физических констант может измениться при возможных расширениях Стандартной модели , в частности, за счет введения массы нейтрино (эквивалентной семи дополнительным константам, т. е. 3 связям Юкавы и 4 параметрам смешивания лептонов ). [3]
Открытие изменчивости любой из этих констант было бы равносильно открытию « новой физики ». [3]
Вопрос о том, какие константы являются «фундаментальными», не является ни простым, ни бессмысленным, а вопросом интерпретации физической теории, рассматриваемой как фундаментальная; как указал Леви-Леблон (1977), не все физические константы имеют одинаковую важность, некоторые играют более глубокую роль, чем другие. Леви-Леблон (1977) предложил классификационные схемы трех типов констант:
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 А (характерной для света ), когда она была впервые измерена, но стала константой класса В (характерной для электромагнитных явлений ) с развитием классического электромагнетизма и, наконец, константой класса С с открытием специальной теории относительности . [5]
По определению фундаментальные физические константы подлежат измерению , так что 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 низка, примерно 10 −17 в год (по состоянию на 2008 год). [6]
Гравитационную постоянную гораздо сложнее измерить с точностью, и противоречивые измерения в 2000-х годах вдохновили на спорные предположения о периодическом изменении ее значения в статье 2015 года. [7] Однако, хотя ее 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, универсальна, позволяет установить верхнюю границу менее 10 −10 в год для гравитационной постоянной за последние девять миллиардов лет. [8]
Аналогичным образом, верхняя граница изменения отношения масс протона к электрону была установлена на уровне 10−7 за период в 7 миллиардов лет (или 10−16 в год) в исследовании 2012 года, основанном на наблюдении за метанолом в далекой галактике. [9] [10]
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 константа изменение, артефактом выбора (и определения) единиц. [11] [12] [13]
Например, в единицах СИ скорость света получила определенное значение в 1983 году. Таким образом, имело смысл экспериментально измерять скорость света в единицах СИ до 1983 года, но сейчас это не так. Аналогично, с мая 2019 года постоянная Планка имеет определенное значение, так что все основные единицы СИ теперь определяются в терминах фундаментальных физических констант. С этим изменением международный прототип килограмма уходит в отставку как последний физический объект, используемый в определении любой единицы СИ.
Тесты на неизменность физических констант рассматривают безразмерные величины, т. е. отношения между величинами одинаковых размерностей, чтобы избежать этой проблемы. Изменения физических констант не имеют смысла, если они приводят к наблюдаемо неразличимой вселенной. Например, «изменение» скорости света c было бы бессмысленным, если бы сопровождалось соответствующим изменением элементарного заряда e , так что выражение e 2 /(4π ε 0 ħc ) (постоянная тонкой структуры) оставалось неизменным. [14]
Любое отношение между физическими константами одинаковых размерностей приводит к безразмерной физической константе , например, отношению масс протона к электрону . Постоянная тонкой структуры α является наиболее известной безразмерной фундаментальной физической константой. Это значение квадрата элементарного заряда, выраженное в единицах Планка . Это значение стало стандартным примером при обсуждении выводимости или невыводимости физических констант. Введенное Арнольдом Зоммерфельдом , его значение и неопределенность, определенные в то время, соответствовали 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. [15] К 1940-м годам стало ясно, что значение постоянной тонкой структуры значительно отклоняется от точного значения 1/137, опровергая аргумент Эддингтона. [16]
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 что наша Вселенная, таким образом, кажется, тонко настроена для разумной жизни. [17] 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, включая божественный создатель (очевидная тонкая настройка является фактической и преднамеренной), или то, что Вселенная является одной вселенной из многих в мультивселенной (например, многомировая интерпретация квантовой механики ), или даже то, что если информация является врожденным свойством Вселенной и логически неотделима от сознания, Вселенная без способности к сознательным существам не может существовать.
В таблице ниже перечислены некоторые часто используемые константы и их рекомендуемые значения CODATA. Для более расширенного списка обратитесь к Списку физических констант .
