stringtranslate.com

Натуральные единицы

В физике натуральные единицы — это физические единицы измерения , в которых в качестве определяющих констант используются только универсальные физические константы , так что каждая из этих констант действует как последовательная единица величины. Например, элементарный заряд e можно использовать как естественную единицу электрического заряда , а скорость света c можно использовать как естественную единицу скорости . В чисто естественной системе единиц все ее единицы определены так, что каждую из них можно выразить как произведение степеней определения физических констант.

Посредством обезразмеривания физические величины могут затем быть переопределены так, что определяющие константы могут быть исключены из математических выражений физических законов, и хотя это имеет очевидное преимущество простоты, это может повлечь за собой потерю ясности из-за потери информации для анализа размерностей. . Это исключает интерпретацию выражения с точки зрения констант, таких как e и c , если не известно, какие единицы измерения (в размерных единицах) [ необходимы пояснения ] выражение должно иметь. В этом случае повторная вставка правильных степеней e , c и т. д. может быть однозначно определена.

Системы натуральных единиц

Стони юниты

Система единиц Стоуни использует следующие определяющие константы:

в , г , к е , е ,

где c — скорость света , G — гравитационная постоянная , k e — постоянная Кулона , а e — элементарный заряд .

Система единиц Джорджа Джонстона Стоуни предшествовала системе единиц Планка на 30 лет. Он представил эту идею в лекции под названием «О физических единицах природы», прочитанной Британской ассоциации в 1874 году. [2] Единицы Стоуни не учитывали постоянную Планка , которая была открыта только после предложения Стони.

Планковские единицы

В системе единиц Планка используются следующие определяющие константы:

c , ħ , G , k B ,

где c — скорость света , ħ — приведенная постоянная Планка , G — гравитационная постоянная , а k B — постоянная Больцмана .

Планковские единицы образуют систему естественных единиц, которая не определяется свойствами какого-либо прототипа, физического объекта или даже элементарной частицы . Они относятся лишь к базовой структуре законов физики: c и G являются частью структуры пространства-времени в общей теории относительности , а ħ лежит в основе квантовой механики . Это делает единицы Планка особенно удобными и распространенными в теориях квантовой гравитации , включая теорию струн . [ нужна цитата ]

Планк рассматривал только единицы, основанные на универсальных константах G , h , c и k B , чтобы получить естественные единицы длины , времени , массы и температуры , но не электромагнитные единицы. [7] Теперь считается, что система единиц Планка использует приведенную постоянную Планка, ħ , вместо постоянной Планка, h . [8]

единицы Шрёдингера

Система единиц Шредингера (названная в честь австрийского физика Эрвина Шредингера ) редко упоминается в литературе. Его определяющими константами являются: [10] [11]

е , ħ , г , к е .

Геометризированные единицы

Определение констант:

с , Г. _

В геометризированной системе единиц [ 12] :36  , используемой в общей теории относительности , базовые физические единицы выбираются так, что скорость света c и гравитационная постоянная G равны единице.

Атомные единицы

В системе атомных единиц [17] используются следующие определяющие константы: [18] : 349  [19]

м е , е , ħ , 4 πε 0 .

Атомные единицы были впервые предложены Дугласом Хартри и предназначены для упрощения атомной и молекулярной физики и химии, особенно атома водорода . [18] : 349  Например, в атомных единицах, в модели атома водорода Бора , электрон в основном состоянии имеет орбитальный радиус, орбитальную скорость и так далее с особенно простыми числовыми значениями.

Естественные единицы (физика элементарных частиц и атомная физика)

Эта естественная система единиц, используемая только в области физики элементарных частиц и атомной физики, использует следующие определяющие константы: [23] : 509. 

c , м е , ħ , ε 0 ,

где c — скорость света , m e — масса электрона , ħ — приведенная постоянная Планка , а ε 0 — диэлектрическая проницаемость вакуума .

Вакуумная диэлектрическая проницаемость ε 0 неявно используется в качестве константы обезразмеривания , как это видно из выражения физиков для постоянной тонкой структуры , записанного α = e 2 /(4 π ) , [24] [25] , которое можно сравнить с соответствующее выражение в СИ: α = e 2 /(4 πε 0 ħc ) . [26] : 128 

Сильные юниты

Определение констант:

с , м п , ħ .

Здесь m p — масса покоя протона . Сильные единицы «удобны для работы в области КХД и ядерной физики, где квантовая механика и теория относительности вездесущи, а протон является объектом центрального интереса». [27]

В этой системе единиц скорость света изменяется обратно пропорционально постоянной тонкой структуры, поэтому в последние годы появился некоторый интерес к нишевой гипотезе изменения фундаментальных констант во времени . [28]

Таблица результатов

где:

Смотрите также

Примечания и ссылки

  1. ^ abc Барроу, Джон Д. (1983), «Естественные единицы до Планка», Ежеквартальный журнал Королевского астрономического общества , 24 : 24–26
  2. ^ Рэй, Т.П. (1981). «Основные единицы Стоуни». Ирландский астрономический журнал . 15 : 152. Бибкод :1981IrAJ...15..152R.
  3. ^ «Значение CODATA 2018: планковская длина» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . 20 мая 2019 года . Проверено 20 мая 2019 г.
  4. ^ «Значение CODATA 2018: планковская масса» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . 20 мая 2019 года . Проверено 20 мая 2019 г.
  5. ^ «Значение CODATA 2018: Планковское время» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . 20 мая 2019 года . Проверено 20 мая 2019 г.
  6. ^ «Значение CODATA 2018: Планковская температура» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . 20 мая 2019 года . Проверено 20 мая 2019 г.
  7. ^ Однако, если предположить, что в то время использовалось гауссово определение электрического заряда и, следовательно, оно не рассматривалось как независимая величина, 4 πε 0 неявно присутствовало бы в списке определяющих констант, давая единицу заряда √ 4 πε 0 ħc .
  8. ^ Томилин, К.А., 1999, «Естественные системы единиц: к столетнему юбилею системы Планка. Архивировано 12 декабря 2020 г. в Wayback Machine », 287–296.
  9. ^ «Значение CODATA 2018: элементарный заряд» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . 20 мая 2019 года . Проверено 20 мая 2019 г.
  10. ^ Стонер, Юрген; Шарлатан, Мартин (2011). «Условные обозначения, символы, величины, единицы и константы для молекулярной спектроскопии высокого разрешения». Справочник по спектроскопии высокого разрешения (PDF) . п. 304. дои : 10.1002/9780470749593.hrs005. ISBN 9780470749593. Проверено 19 марта 2023 г.
  11. ↑ Дафф, Майкл Джеймс (11 июля 2004 г.). «Комментарий к изменению фундаментальных констант во времени». п. 3. arXiv : hep-th/0208093 .
  12. ^ Миснер, Чарльз В.; Торн, Кип С.; Уиллер, Джон Арчибальд (2008). Гравитация (27-е печатное изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Фриман. ISBN 978-0-7167-0344-0.
  13. ^ «Значение CODATA 2018: атомная единица длины» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Проверено 31 декабря 2023 г.
  14. ^ «Значение CODATA 2018: атомная единица массы» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Проверено 31 декабря 2023 г.
  15. ^ «Значение CODATA 2018: атомная единица времени» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Проверено 31 декабря 2023 г.
  16. ^ «Значение CODATA 2018: атомная единица заряда» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Проверено 31 декабря 2023 г.
  17. ^ Шулл, Х.; Холл, Г.Г. (1959). «Атомные единицы». Природа . 184 (4698): 1559. Бибкод : 1959Natur.184.1559S. дои : 10.1038/1841559a0. S2CID  23692353.
  18. ^ Аб Левин, Ира Н. (1991). Квантовая химия . Серия Pearson по продвинутой химии (4-е изд.). Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Prentice-Hall International. ISBN 978-0-205-12770-2.
  19. ^ МакВини, Р. (май 1973 г.). «Естественные единицы в атомной и молекулярной физике». Природа . 243 (5404): 196–198. Бибкод : 1973Natur.243..196M. дои : 10.1038/243196a0. ISSN  0028-0836. S2CID  4164851.
  20. ^ «Значение CODATA 2018: натуральная единица длины» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Проверено 31 мая 2020 г.
  21. ^ «Значение CODATA 2018: естественная единица массы» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Проверено 31 мая 2020 г.
  22. ^ «Значение CODATA 2018: естественная единица времени» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Проверено 31 мая 2020 г.
  23. ^ Гидри, Майк (1991). «Приложение А: Натуральные единицы». Теории калибровочного поля . Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH Verlag. стр. 509–514. дои : 10.1002/9783527617357.app1.
  24. ^ Фрэнк Вильчек (2005), «Об абсолютных единицах, I: Выбор» (PDF) , Physics Today , 58 (10): 12, Бибкод : 2005PhT....58j..12W, doi : 10.1063/1.2138392, заархивировано из оригинал (PDF) 13 июня 2020 г. , получено 31 мая 2020 г.
  25. ^ Фрэнк Вильчек (2006), «Об абсолютных единицах, II: Проблемы и ответы» (PDF) , Physics Today , 59 (1): 10, Бибкод : 2006PhT....59a..10W, doi : 10.1063/1.2180151, заархивировано из оригинала (PDF) 12 августа 2017 г. , получено 31 мая 2020 г.
  26. ^ Le Système International d'Unités [ Международная система единиц ] (PDF) (на французском и английском языках) (9-е изд.), Международное бюро мер и весов, 2019, ISBN 978-92-822-2272-0
  27. ^ Вильчек, Франк (2007). «Фундаментальные константы». arXiv : 0708.4361 [геп-ф].. Дальше см.
  28. ↑ Дэвис, Тамара Мари (12 февраля 2004 г.). «Фундаментальные аспекты расширения Вселенной и космических горизонтов». п. 103. arXiv : astro-ph/0402278 . В этом наборе единиц скорость света изменяется обратно пропорционально постоянной тонкой структуры. Отсюда мы можем заключить, что если c изменяется, но e и ℏ остаются постоянными, то скорость света в единицах Шредингера c ψ изменяется пропорционально c , но скорость света в единицах Планка c P остается прежней. Изменится ли «скорость света» или нет, зависит от нашей измерительной системы (три возможных определения «скорости света» — c , c P и c ψ ). Изменится ли c или нет, однозначно, поскольку система измерения определена.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме «Натуральные единицы» .