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 называемого вакуумного среднего поля Хиггса.

Фундаментальные физические постоянные[править | править вики-текст]

Основной источник: [2]
Величина Символ Значение Прим.
скорость света в вакууме \ c 299 792 458 м·с−1
= 2,9979246·108 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 51(13)·10−8 кг[3] a
планковская длина l_p = (\hbar G / c^3)^{1/2} 1,616 199(97)·10−35 м[4][5] a
планковское время t_p = (\hbar G /c^5)^{1/2} 5,391 06(32)·10−44 с[6] a
планковская температура T_p = \frac{1}{k} (\hbar c^5 / G)^{1/2} 1,416 785(85) ·1032 K[7] a

Постоянные, связывающие разные системы единиц, и Переводные множители[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
= (6,022 141 29(27)·1023)−1 г
a
1 а.е.м. 1,49244·10−10 Дж
= 931,502·106 Эв
= 931,502 МэВ[8]
постоянная Авогадро \ L, N_A 6,022 141 29(27)·1023 моль −1,
или г·(а.е.м.)−1[9]
a
1 электронвольт эВ 1,602 176 565(35)·10−19 Дж
= 1,602 176 565(35)·10−12 эрг
1 калория 1 кал 4,1868 Дж
литр·атмосфера 1 л·атм 101,325 Дж
2,30259 RT[10] 5,706 кДж·моль−1 (при 298 К)
1 кДж·моль−1 83,593 см−1[11]

Электромагнитные постоянные[править | править вики-текст]

Название Символ Значение Прим.
магнитная постоянная[12] \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[13] 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 СИ: 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.
Массы элементарных частиц:
масса электрона
\ m_e 9,109 382 15(45)·10−31 кг
= 0,0005486 а.е.м.
a
масса протона \ m_p 1,672 621 637(83)·10−27 кг
= 1,007276 а.е.м.
a
масса нейтрона \ m_n 1,674 927 211(84)·10−27 кг
= 1,008665 а.е.м.
a
M протон плюс электрон \ m_{p+e} = 1,673560·10−27 кг
= 1,007825 а.е.м.
магнитный момент электрона \mu_e −928,476 377(23)·10−26 Дж·Тл−1 a
магнитный момент протона \mu_p 1,410 606 662(37)·10−26 Дж·Тл−1 a
магнетон Бора \mu_B = e\hbar / 2m_e 927,400 968(20)·10−26 Дж·Тл−1[14] a
ядерный магнетон \mu_N 5,050 783 24(13)·10−27 Дж·Тл−1 a
g-фактор свободного электрона g_e=2 \mu_e/\mu_B 2,002 319 304 362 2(15) a
гиромагнитное отношение протона \gamma_p = 2\mu_p/\hbar 2,675 222 099(70)·108 с−1·Тл−1 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
= 0,082057 л·атм·К−1·моль−1
a
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 (н.у.) 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
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. Planck mass. physics.nist.gov. Проверено 17 января 2015. Архивировано из первоисточника 23 января 2013.
  4. NIST, «Planck length»  (англ.), NIST’s published CODATA constants
  5. Fundamental Physical Constants — Complete Listing
  6. Planck time. physics.nist.gov. Проверено 24 января 2014. Архивировано из первоисточника 23 января 2013.
  7. Planck temperature. physics.nist.gov. Проверено 17 января 2015. Архивировано из первоисточника 23 января 2013.
  8. из соотношения E = mc2
  9. Avogadro constant — CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants
  10. из отношения, определяющего зависимость свободной энергии от концентрации (парциального давления): G = G^\circ + RT ~ \mathrm{ln} \left ( \frac{p}{\displaystyle{p^\circ}} \right )
  11. из соотношения E = hv = hc\bar{v}, где \bar{v} выражено в обратных сантиметрах см−1
  12. http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mu0%7Csearch_for=Vacuum+permeability CODATA Value: Vacuum permeability
  13. http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?z0%7Csearch_for=characteristic+impedance+of+vacuum CODATA Value: Сharacteristic impedance of vacuum
  14. Bohr magneton. physics.nist.gov. Проверено 17 января 2015. Архивировано из первоисточника 23 января 2013.

Ссылки[править | править вики-текст]