Фундаментальные физические постоянные

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Фундамента́льные физи́ческие постоя́нные — постоянные, входящие в уравнения, описывающие фундаментальные законы природы и свойства материи.[1] Фундаментальные физические постоянные возникают в теоретических моделях наблюдаемых явлений в виде универсальных коэффициентов в соответствующих математических выражениях.

Слово «постоянная» в физике употребляется в двояком смысле:

  • численное значение некоторой величины вообще не зависит от каких-либо внешних параметров и не меняется со временем,
  • изменение численного значения некоторой величины несущественно для рассматриваемой задачи.

Например, в небесной механике гелиоцентрическая постоянная считается постоянной, хотя она уменьшается с уменьшением массы Солнца, однако это изменение несущественно для космических полётов. Также в физике высоких энергий постоянная тонкой структуры, характеризующая интенсивность электромагнитного взаимодействия, растёт с ростом переданного импульса (на малых расстояниях), однако её изменение несущественно для широкого круга обычных явлений, например, для спектроскопии.

Физические постоянные делятся на две основные группы — размерные и безразмерные постоянные. Численные значения размерных постоянных зависят от выбора единиц измерения. Численные значения безразмерных постоянных не зависят от систем единиц и должны определяться чисто математически в рамках единой теории. Среди размерных физических постоянных следует выделять константы, которые не образуют между собой безразмерных комбинаций, их максимальное число равно числу основных единиц измерения — это и есть собственно фундаментальные физические постоянные (скорость света, постоянная Планка и др.). Все остальные размерные физические постоянные сводятся к комбинациям безразмерных постоянных и фундаментальных размерных постоянных. С точки зрения фундаментальных констант эволюция физической картины мира это переход от физики без фундаментальных констант (классическая физика) к физике с фундаментальными константами (современная физика). Классическая физика при этом сохраняет своё значение как предельный случай современной физики, когда характерные параметры исследуемых явлений далеки от фундаментальных постоянных.

Скорость света появилась ещё в классической физике в XVII в., но тогда она не играла фундаментальной роли. Фундаментальный статус скорость света приобрела после создания электродинамики Дж. К. Максвеллом и специальной теории относительности А. Эйнштейном (1905). После создания квантовой механики (1926) фундаментальный статус приобрела постоянная Планка h, введенная М. Планком в 1899 г. как размерный коэффициент в законе теплового излучения. К фундаментальным постоянным также ряд учёных относит гравитационную постоянную G, постоянную Больцмана k, элементарный заряд e (или постоянную тонкой структуры \alpha) и космологическую константу \Lambda. Фундаментальные физические постоянные являются естественными масштабами физических величин, переход к ним в качестве единиц измерения лежит в основе построения естественной (планковской) системы единиц. К фундаментальным постоянным в силу исторической традиции также относят и некоторые другие физические постоянные, связанные с конкретными телами (например, массы элементарных частиц), однако эти постоянные должны согласно современным представлениям каким-то пока неизвестным образом выводиться из более фундаментального масштаба массы (энергии) — так называемый вакуумного среднего поля Хиггса.

Фундаментальные физические постоянные[2][править | править вики-текст]

Величина Символ Значение Прим.
скорость света в вакууме \ c 299 792 458 м·с−1 точно
гравитационная постоянная \ G 6,673 84(80)·10−11 м3·кг−1·с−2 a
постоянная Планка (элементарный квант действия) \ h 6,626 069 57(29)·10−34 Дж·с a
постоянная Дирака (приведённая постоянная Планка) \hbar = h/2\pi 1,054 571 726(47)·10−34 Дж·с a
элементарный заряд \ e 1,602 176 565(35)·10−19 Кл a
постоянная Больцмана \ k 1,380 6488(13)·10−23 Дж·К−1 a

Планковские величины (размерные комбинации постоянных c, G, h, k)[править | править вики-текст]

Название Символ Значение Прим.
планковская масса m_p = (\hbar c / G)^{1/2} 2,176 44(11)·10−8 кг a
планковская длина l_p = (\hbar G / c^3)^{1/2} 1,616 252(81)·10−35 м a
планковское время t_p = (\hbar G /c^5)^{1/2} 5,391 24(27)·10−44 с a
планковская температура T_p = \frac{1}{k} (\hbar c^5 / G)^{1/2} 1.416785(71) ·1032 K a

Постоянные, связывающие разные системы единиц[править | править вики-текст]

Название Символ Значение Прим.
постоянная тонкой структуры \alpha = e^2 /4 \pi \varepsilon_0 \hbar c (система СИ) 7,297 352 5376(50)·10−3 a
\alpha^{-1} 137,035 999 679(94) a
электрическая постоянная \varepsilon_0 = 1/(\mu_0 c^2) 8,854 187 817 620… ·10−12 Ф·м−1 точно
атомная единица массы \ m_u = 1 а. е. м. 1,660 538 782(83)·10−27 кг a
число Авогадро \ L, N_A 6,022 141 29(27)·1023 моль−1[3] a

Электромагнитные постоянные[править | править вики-текст]

Название Символ Значение Прим.
магнитная постоянная[4] \mu_0 = 1/(\varepsilon_0 c^2) 1,25663706\times 10^{-6} Гн/м  = 1,25663706 \times \ 10^{-6} Н/А² a
волновое сопротивление вакуума[5] Z_{0} = \mu_0 c = \frac{1}{\varepsilon_0 c} 119.9169832 \; \pi \ \Omega точно, или \approx 376.730\ 313\ 461\ 77 \ldots \Omega. точно
электрическая постоянная \varepsilon_0 = 1/(\mu_0 c^2) 8,854 187 817 620… ·10−12 Ф·м−1 (через основные единицы: кг−1·м-3·с4·А2) точно
постоянная Кулона k=\frac{1}{4\pi\varepsilon_0} 8.987 551 787... × ·109 Ф−1·м (через основные единицы: кг·м3·с-4·А-2) точно

Некоторые другие физические постоянные[править | править вики-текст]

Название Символ Значение Прим.
масса электрона \ m_e 9,109 382 15(45)·10−31 кг a
масса протона \ m_p 1,672 621 637(83)·10−27 кг a
масса нейтрона \ m_n 1,674 927 211(84)·10−27 кг a
постоянная Фарадея \ F = N_A e 96 485,3399(24) Кл·моль−1 a
универсальная газовая постоянная \ R = k N_A 8,314 472(15) Дж·К−1·моль−1 a
удельный молярный объём идеального газа (при 273,15 К, 101,325 кПа) \ V_m 22,413 996(39)·10−3 м³·моль−1 a
стандартное атмосферное давление атм 101 325 Па точно
боровский радиус a_0 = \alpha/(4 \pi R_\infin) 0,529 177 208 59(36)·10−10 м a
энергия Хартри E_h = 2 R_\infin h c 4,359 743 94(22)·10−18 Дж a
постоянная Ридберга R_\infin = \alpha^2 m_e c / 2h 1,097 373 156 853 9(55)·107 м−1 a
магнетон Бора \mu_B = e\hbar / 2m_e 927,400 915(23)·10−26 Дж·Тл−1 a
магнитный момент электрона \mu_e −928,476 377(23)·10−26 Дж·Тл−1 a
g-фактор свободного электрона g_e=2 \mu_e/\mu_B 2,002 319 304 362 2(15) a
ядерный магнетон \mu_N 5,050 783 24(13)·10−27 Дж·Тл−1 a
магнитный момент протона \mu_p 1,410 606 662(37)·10−26 Дж·Тл−1 a
гиромагнитное отношение протона \gamma_p = 2\mu_p/\hbar 2,675 222 099(70)·108 с−1·Тл−1 a
первая радиационная постоянная c_1 = 2\pi h c^2 3,741 771 18(19)·10−16 Вт·м² a
вторая радиационная постоянная c_2=hc/k 1,438 7752(25)·10−2 м·К a
постоянная Стефана-Больцмана \sigma = (\pi^2/60) k^4/\hbar^3 c^2 5,670 400(40)·10−8 Вт·м−2·К−4 a
постоянная Вина b = c_2/4,965114231... 2,8977685(51)·10−3м·К а
стандартное ускорение свободного падения на поверхности Земли g_n 9,806 65 м·с−2 точно
Температура тройной точки воды T_0 273,16 K точно

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Фундаментальные физические константы // Физическая энциклопедия, т. 5. М.: Большая Российская энциклопедия, 1998, с. 381—383.
  2. CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants
  3. Avogadro constant — CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants
  4. http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mu0%7Csearch_for=Vacuum+permeability CODATA Value: Vacuum permeability
  5. http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?z0%7Csearch_for=characteristic+impedance+of+vacuum CODATA Value: Сharacteristic impedance of vacuum

Ссылки[править | править вики-текст]