Физическая константа , иногда фундаментальная физическая константа или универсальная константа , — это физическая величина , которая не может быть объяснена теорией и поэтому должна быть измерена экспериментально. Она отличается от математической константы , которая имеет фиксированное числовое значение, но не требует непосредственного физического измерения.
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 принимать различные размерные формы: скорость света означает максимальную скорость любого объекта, а ее размер равен длине , разделенной на время ; а отношение масс протона к электрону безразмерно .
Термин «фундаментальная физическая константа» иногда используется для обозначения универсальных, но размерных физических констант, таких как упомянутые выше. [1] Однако физики все чаще оставляют это выражение для более узкого случая безразмерных универсальных физических констант , таких как константа тонкой структуры α , которая характеризует силу электромагнитного взаимодействия .
Физическую константу, как обсуждается здесь, не следует путать с эмпирическими константами , которые представляют собой коэффициенты или параметры, которые считаются постоянными в данном контексте, но не являются фундаментальными. [2] Примеры включают характеристическое время , характеристическую длину или характеристическое число (безразмерное) данной системы или константы материала (например, константа Маделунга , электрическое сопротивление и теплоемкость ) конкретного материала или вещества.
Физические константы — это параметры физической теории, которые не могут быть объяснены этой теорией. Это может быть связано с очевидной фундаментальной природой константы или с ограничениями теории. Следовательно, физические константы необходимо измерять экспериментально. [3] : 9
Набор параметров, считающихся физическими константами, меняется по мере изменения физических моделей, и может меняться их фундаментальность. Например, скорость света изначально считалась свойством света, конкретной системы. Открытие и проверка уравнений Максвелла связывают одну и ту же величину со всей системой — электромагнетизмом . Когда появилась специальная теория относительности , количество стало пониматься как основа причинности. [3] Скорость света настолько фундаментальна, что теперь определяет международную единицу длины .
В то время как физическая величина , обозначаемая 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 данной системе единиц. Например, скорость света определяется как имеющая числовое значение299 792 458 , если выражаться в единицах СИ - метрах в секунду, и иметь числовое значение 1, если выражаться в натуральных единицах планковской длины на планковское время. Хотя ее числовое значение может быть определено по желанию путем выбора единиц, сама скорость света является единой физической константой.
С мая 2019 года все единицы Международной системы единиц были переопределены с точки зрения фиксированных природных явлений, включая три фундаментальные константы: скорость света в вакууме, с ; постоянная 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 комбинировать размерные универсальные физические константы для определения фиксированных величин любого желаемого измерения, и это свойство использовалось для построения различных систем натуральных 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 k B , дают удобные по размеру 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 измерения. по атомной физике . Выбор используемых констант приводит к значительному изменению величин.
Число фундаментальных физических констант зависит от физической теории , принятой как «фундаментальная». В настоящее время это общая теория относительности гравитации и Стандартная модель электромагнитных, слабых и сильных ядерных взаимодействий и полей материи. В совокупности эти теории объясняют в общей сложности 19 независимых фундаментальных констант. Однако не существует единственного «правильного» способа их перечисления, поскольку вопрос произвольного выбора того, 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 быть изменено при возможных расширениях Стандартной модели , в частности, за счет введения массы нейтрино (эквивалентной семи дополнительным константам, т.е. 3-м связям Юкавы и 4-м параметрам смешивания лептонов ). [3]
Открытие изменчивости любой из этих констант было бы эквивалентно открытию « новой физики ». [3]
Вопрос о том, какие константы являются «фундаментальными», не является ни простым, ни бессмысленным, а является вопросом интерпретации физической теории, считающейся фундаментальной; как указал Леви-Леблон (1977), не все физические константы имеют одинаковое значение: некоторые играют более глубокую роль, чем другие. Леви-Леблон 1977 предложил схемы классификации трех типов констант:
Одна и та же физическая константа может переходить из одной категории в другую по мере углубления понимания ее роли; это особенно произошло со скоростью света , которая была константой класса А (характеристикой света ), когда она была впервые измерена, но стала константой класса B (характеристикой электромагнитных явлений ) с развитием классического электромагнетизма и, наконец, классом C постоянная с открытием специальной теории относительности . [5]
По определению, фундаментальные физические константы подлежат измерению , так что их постоянство (независимо как от времени, так и от 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 низкая, примерно 10–17 в год (по состоянию на 2008 г.). [6]
Гравитационную постоянную гораздо сложнее измерить с точностью, а противоречивые измерения, проведенные в 2000-х годах, послужили поводом для спорных предположений о периодическом изменении ее значения в статье 2015 года. [7] Однако, хотя его 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, в исследовании 2012 года, основанном на наблюдении метанола в далекая галактика. [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 изменение константа, артефактом выбора (и определения) единиц. [11] [12] [13]
Например, в единицах СИ скорости света было присвоено определенное значение в 1983 году. Таким образом, имело смысл экспериментально измерить скорость света в единицах СИ до 1983 года, но сейчас это не так. Аналогичным образом, с мая 2019 года постоянная Планка имеет определенное значение, так что все базовые единицы СИ теперь определяются в терминах фундаментальных физических констант. С этим изменением международный прототип килограмма упраздняется как последний физический объект, используемый при определении любой единицы СИ.
Чтобы избежать этой проблемы, тесты на неизменность физических констант рассматривают безразмерные величины, то есть отношения между величинами одинаковых размеров. Изменения физических констант не имеют смысла, если они приводят к наблюдаемой неразличимой Вселенной. Например, «изменение» скорости света c было бы бессмысленным, если бы оно сопровождалось соответствующим изменением элементарного заряда e так, чтобы выражение e 2 /(4π ε 0 ħc ) (константа тонкой структуры) оставалось неизменным. [14]
Любое соотношение между физическими константами одних и тех же размеров приводит к безразмерной физической константе , например, отношению масс протона к электрону . Постоянная тонкой структуры α — самая известная безразмерная фундаментальная физическая константа. Это значение квадрата элементарного заряда , выраженное в планковских единицах . Это значение стало стандартным примером при обсуждении выводимости или невыводимости физических констант. Введенный Арнольдом Зоммерфельдом , его значение и неопределенность, определенные на тот момент, соответствовали 1/137. Это побудило Артура Эддингтона (1929) построить аргумент, почему его значение может составлять именно 1/137, что связано с числом Эддингтона , его оценкой количества протонов во Вселенной. [15] К 1940-м годам стало ясно, что значение постоянной тонкой структуры значительно отклоняется от точного значения 1/137, что опровергло 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 поэтому наша Вселенная, похоже, идеально приспособлена для разумной жизни. [17] Антропный принцип утверждает логический трюизм : факт нашего существования как разумных существ, способных измерять физические константы, требует, чтобы эти константы были такими, чтобы могли существовать такие существа, как мы. Существуют различные интерпретации значений констант, в том числе интерпретация божественного создателя (кажущаяся точная настройка реальна и преднамеренна) или интерпретация того, что Вселенная представляет собой одну вселенную из многих в мультивселенной ( например, интерпретация многих миров квантовая механика ), или даже что, если информация является врожденным свойством вселенной и логически неотделима от сознания, вселенная без возможности существования сознательных существ не может существовать.
В таблице ниже перечислены некоторые часто используемые константы и их рекомендуемые значения CODATA. Более расширенный список см. в разделе Список физических констант .
