stringtranslate.com

Натуральные единицы

В физике естественные системы единиц представляют собой системы измерения , для которых выбранные физические константы были установлены равными 1 посредством обезразмеривания физических единиц . Например, скорость света c может быть установлена ​​равной 1, а затем ее можно опустить, напрямую приравнивая массу и энергию E = m , а не используя c в качестве коэффициента преобразования в типичном уравнении эквивалентности массы и энергии E = mc 2 . Чисто естественная система единиц имеет свернутые все измерения, так что физические константы полностью определяют систему единиц, а соответствующие физические законы не содержат констант преобразования.

Хотя системы естественных единиц упрощают форму каждого уравнения, по-прежнему необходимо отслеживать несвернутые измерения каждой величины или выражения, чтобы повторно вставлять физические константы (такие измерения однозначно определяют полную формулу). Анализ размерностей в свернутой системе неинформативен, поскольку большинство величин имеют одинаковые размерности.

Системы натуральных единиц

Таблица результатов

где:

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 Стоуни.

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]

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 2022: планковская длина» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Май 2024 года . Проверено 18 мая 2024 г.
  4. ^ «Значение CODATA 2022: планковская масса» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Май 2024 года . Проверено 18 мая 2024 г.
  5. ^ «Значение CODATA 2022: Планковское время» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Май 2024 года . Проверено 18 мая 2024 г.
  6. ^ «Значение CODATA 2022: Планковская температура» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Май 2024 года . Проверено 18 мая 2024 г.
  7. ^ Однако, если предположить, что в то время использовалось гауссовское определение электрического заряда и, следовательно, оно не рассматривалось как независимая величина, 4 πε 0 неявно присутствовало бы в списке определяющих констант, что давало бы 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 2022: элементарный заряд» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . Май 2024 года . Проверено 18 мая 2024 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. ^ Международная система единиц (PDF) (9-е изд.), Международное бюро мер и весов, декабрь 2022 г., 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, однозначно, поскольку система измерения определена.

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме « Натуральные единицы» .