Фундаментальные
физические константы - Физическая энциклопедия (original) (raw)
фундаментальные физические константы
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ - постоянные, входящие в ур-ния, описывающие фундам. законы природы и свойства материи. Ф. ф. к. определяют точность, полноту и единство наших представлений об окружающем мире, возникая в теоретич. моделях наблюдаемых явлений в виде универсальных коэф. в соответствующих матем. выражениях. Благодаря Ф. ф. к. возможны инвариантные соотношения между измеряемыми величинами. Т. о., Ф. ф. к. могут также характеризовать непосредственно измеряемые свойства материи и фундам. сил природы и совместно с теорией должны объяснять поведение любой физ. системы как на микроскопич., так и на макроскопич. уровне. Набор Ф. ф. к. не является фиксированным и тесно связан с выбором системы единиц физ. величин, он может расшириться вследствие открытия новых явлений и создания теорий, их объясняющих, и сократиться при построении более общих фундаментальных теорий.
Наиб. часто применяемыми Ф. ф. к. являются: гравитационная постоянная G ,входящая в закон всемирного тяготения и ур-ния общей теории относительности (релятивистской теории гравитации, см. Тяготение); скорость света с, входящая в ур-ния электродинамики и соотношения
спец. относительности теории, определяющей единство пространства и времени, а также область релятивистских явлений; Планка постоянная h (или 
=h/2p), входящая в квантовую теорию излучения, ур-ния квантовой механики и определяющая связь между величинами микро-и макромира; заряд электрона е - элементарный электрич. заряд, входящий в микроскопич. ур-ния электродинамики, в частности в Кулона закон; массы электрона тe и протона тр; Больцмана постоянная k, определяющая связь между темп-рой и характерной энергией термодинамич. системы. Развитие физики атома, атомного ядра и элементарных частиц потребовало введения ряда новых Ф. ф. к.: Ридбер-га постоянной для бесконечной массы атомного ядра Roo, определяющей атомные спектры; тонкой структуры постоянной ос, характеризующей эффекты квантовой электродинамики и тонкую структуру атомных спектров; магнитных моментов электрона и протона mе и mр; константы Ферми _G_F и угла Вайнберга qW, характеризующих эффекты слабого взаимодействия; массы промежуточных Z0-и W-бозонов тZ и _m_W, являющихся переносчиками слабого взаимодействия, и т. д. Развитие физики сильных взаимодействий на основе кварковой модели составных адронов и квантовой хромодинамики, несомненно, приведёт к новым Ф. ф. к. С др. стороны, имеется тенденция к построению единой теории всех фундам. взаимодействий (эл--магн., слабого, сильного и гравитационного, см. Великое объединение ),что позволило бы уменьшить число независимых Ф. ф. к. Так, уже создана единая теория электрослабых взаимодействий (т. н. стандартная модель Вайнберга - Салама - Глэшоу), в результате чего константа Ферми GF перестаёт быть независимой и выражается через константы 
, a, qW и _m_W:
Наиб. точные значения Ф. ф. к. обычно получают путём сравнения результатов прецизионных измерений с предсказаниями соответствующих теоретич. моделей. Все перечисленные выше Ф. ф. к. (кроме a) являются размерными величинами, поэтому их численные значения зависят от размера соответствующих осн. физ. величин и выбора системы единиц, а также от степени точности измерений и расчётов. В итоге возникает довольно сложная процедура согласования значений Ф. ф. к. на основе наименьших квадратов метода с учётом соотношений, связывающих Ф. ф. к. Последнее такое согласование было проведено Р. Коэном (Е. R. Cohen) и Б. Тэйлором (В. N. Taylor) в 1986 (табл.). Уточнение значений Ф. ф. к. имеет важное значение для метрологии, а также может привести к обнаружению (или устранению уже известных) противоречий в физ. описании природы.
Использование Ф. ф. к. позволяет приблизиться к установлению "истинной" системы осн. физ. единиц на инвариантной основе, фиксированной в природе. Согласно М. Планку (М. Planck), т. н. е с т е с т в е н н ы е е д и н и ц ы и з м е р е н и я определяются так, чтобы нек-рые из Ф. ф. к. обратились в единицу (или фиксированное число). Первую попытку построить такую систему в 1874 предпринял Дж. Стони (G. J. Stoney), предложивший в качестве таких констант с, G и е. В 1899 Планком была предложена естеств. система единиц, получившая его имя. В системе единиц Планка к единице приравниваются с, G и 2p/h. При этом планковская единица массы m_р получается равной (
c/G)1/2
2,2.10-5г, планковская единица длины l_Р =
/т_P_с = (
G/с_3)
1,5.10-35м, планковская единица времени t_ Р =lP/с = (
G/c5)1/2
5,4.10-44 с. Эти единицы используются в квантовой теории гравитации, космологии и моделях единой теории фундам. взаимодействий.
В атомной физике и нерелятивистской квантовой механике применяется система атомных единиц Хартри (D. R. Hartree, 1928). В этой системе к единице приравнены тe, е и 
, единицей длины служит боровский радиус а0=
/mесa
5,3.10-9см, единицей скорости - скорость электрона на первой боровской орбите u0=aс, единицей
энергии - удвоенный ионизац. потенциал атома водорода 
= mес2a2 = 27,2 эВ (энергия Хартри).
В релятивистской квантовой теории (в частности, в квантовой электродинамике) и физике элементарных частиц обычно используется система единиц, в к-рой с =
= 1. В этой системе остаётся единств. независимая единица, в качестве к-рой удобно выбрать единицу энергии элек-тронвольт или единицу длины; в этом случае электрич. заряд становится безразмерной величиной: е2 = a( 
с) . При использовании перечисленных естеств. систем существенно упрощается запись ур-ний и соотношений в соответствующих физ. теориях за счёт уменьшения числа Ф. ф. к.
В метрологии за основную принята система СИ. Ф. ф. к. в ней применяются для установления соотношений между единицами физ. величин с целью их воспроизведения. При этом возникает единая система взаимосвязанных эталонов осн. единиц. Такая система эталонов базируется в осн. на квантовых явлениях (квантовая метрология ),её осн. элемент- эталон времени-частоты. Повышение точности измерения с привело к тому, что оказалось выгоднее фиксировать значение константы с и принять (1983) новое определение единицы длины метра как расстояния, проходимого в вакууме плоской эл--магн. волной за (1/с) долю секунды. Т. о., эталон длины стал связан с эталоном времени-частоты, в результате чего точность воспроизведения единицы длины существенно повысилась.
Удалось уточнить также единицу электрич. напряжения вольт. Используя соотношение, описывающее Джозефсо-на эффект:
где п=1, 2, ..., f-частота излучения, а U-напряжение, можно воспроизводить вольт через подбор соответствующей частоты и нужного числа п переходов Джозефсона, если фиксировать (1990) значение постоянной Джозефсона KJ = 2е/h = 483597,9 ГТц.В-1. Квантовый Холла эффект характеризуется квантованным холловским сопротивлением RH = RK /i, i=1, 2, 3, ..., где постоянная фон Клит-цинга RK = h/е2 = m0c/2a имеет размерность электрич. сопротивления. Т. о., фиксирование (1990) значения RK = 25812,807 Ом даёт хорошо воспроизводимое представление единицы электрич. сопротивления.
Константа RK однозначно связана с a - осн. константой квантовой электродинамики, значение к-рой определяется с высокой точностью независимым образом. Постоянная а связана также с константой КJ:
где g'р и m'p-гиромагнитное отношение и магн. момент протона в воде, mБ - магнетон Бора. Т. о., согласование значений всех этих констант является важной задачей физики.
До сих пор не удалось дать "естеств." определение единицы массы СИ - килограмма, основанное на одной из Ф. ф. к., напр. массе элементарной частицы, атома или атомного ядра и Авогадро постоянной NA. Имеется соот-
ношение, связывающее NA с Фарадея постоянной F и др. известными Ф. ф. к.:
что согласуется с табличным значением (1 ррт= 10-6).
В настоящее время (1994) значительно возросла точность измерения постоянной Ридберга
за счёт применения метода двухфотонной бездоплеровской спектроскопии и замены интерфсрометрич. измерений измерениями оптич. частот атома водорода. Приведённое выше значение Roo не было использовано при согласовании значений Ф. ф. к.
Ниже приведён ряд новых результатов, не отражённых в табл. Получено (1989) на порядок более точное значение для отношения магн. моментов дейтрона и протона: md/mp = 0,3070122081(4). Соответственно изменятся все др. отношения, включающие md. Измерено (1989) гиромагн. отношение протона в воде:
Повышена (1987) точность измерения аномальных магн. моментов электрона и позитрона:
столь близкое значение этих величин, в частности, подтверждает тождественность свойств частицы и античастицы. Сравнение вычисленного (1996) аномального магн. момента электрона ае с его эксперим. значением дало возможность уточнить значение постоянной тонкой структуры: a-1 = 137,03599993(52), (0,0038pрm).
Измерение скорости звука в аргоне (1988) позволило установить новое значение молярной газовой постоянной: R = 8,314471(14) Дж.моль-1 К-1, ( 1,7 ррт) .
Нек-рые космологич. модели эволюции Вселенной [П. Дирак (P. Dirac), 1938; Дж. Гамов, 1967] предсказывают возможность медленного изменения Ф. ф. к. со временем, отнесённым к возрасту Вселенной. В настоящее время (1996) нет никаких эксперим. или наблюдательных (в т. ч. астр.) данных, свидетельствующих о таких изменениях (по крайней мере, линейных) для большей части истории Вселенной (трудно сказать ч--л. определённое о значениях Ф. ф. к. на ранней стадии эволюции Вселенной вплоть до этапа нуклеосинтеза).
Лит.: Квантовая метрология и фундаментальные константы. Сб. ст., пер. с англ., М., 1981; Соhen E. R., Тауlor В. N.,The 1986 adjustment of the fundamental physical constants, "Rev. Mod. Phys.", 1987, v. 59, p. 1121; Proc. of the 1988 Conference on precision electromagnetic measurements, "IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement", 1989, v. 38, № 2, p. 145; Двоеглазов В. В., Тюх-тяев Ю. Н., Фаустов Р. Н., Уровни энергии водородоподобных атомов и фундаментальные константы, "ЭЧАЯ", 1994, т. 25, с. 144.
Р. Н. Фаустов.