Фундамента́льные физи́ческие постоя́нные (физические постоянные, физические константы, фундаментальные постоянные, мировые постоянные) — постоянные величины, входящие в уравнения, описывающие физические законы природы и свойства материи[1]. Фундаментальные физические постоянные возникают в теоретических моделях наблюдаемых явлений в виде универсальных коэффициентов в соответствующих математических выражениях.
Обзор
правитьСлово «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, гелиоцентрическая постоянная, равная произведению гравитационной постоянной на массу Солнца, уменьшается из-за уменьшения массы Солнца, происходящего вследствие излучения им энергии и испускания солнечного ветра. Однако, поскольку относительное уменьшение массы Солнца составляет величину порядка 10−14, то для большинства задач небесной механики гелиоцентрическая постоянная с удовлетворительной точностью может рассматриваться как постоянная. 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 постоянные, 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 постоянных, эволюция физической картины мира — это переход от физики без фундаментальных постоянных (классическая физика) к физике с фундаментальными постоянными (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, введённая М. Планком в 1901 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 α) и космологическую постоянную Λ. 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.
Международно принятый набор значений фундаментальных физических постоянных и коэффициентов для их перевода регулярно издаётся[2] Рабочей группой CODATA по фундаментальным постоянным.
Фундаментальные физические постоянные
правитьЗдесь и далее приведены значения, рекомендованные CODATA на основании данных 2022 года.
| Величина | Символ | Значение | Прим. |
|---|---|---|---|
| скорость света в вакууме | 299 792 458 м·с−1 = 2,99792458⋅108 м·с−1 |
точно | |
| гравитационная постоянная | 6,674 30(15)⋅10−11 м3·кг−1·с−2 | ||
| постоянная Планка (элементарный квант действия) | 6,626 070 15⋅10−34 Дж·с | точно | |
| постоянная Дирака (приведённая постоянная Планка) | 1,054 571 817… ⋅10−34 Дж·с | ||
| элементарный заряд | 1,602 176 634⋅10−19 Кл | точно | |
| постоянная Больцмана | 1,380 649⋅10−23 Дж·К−1 | точно |
Планковские величины (размерные комбинации постоянных c, G, h, k)
править| Название | Символ | Значение |
|---|---|---|
| планковская масса | 2,176 434(24)⋅10−8 кг[3] | |
| планковская длина | 1,616 255(18)⋅10−35 м[4][5] | |
| планковское время | 5,391 247(60)⋅10−44 с[6] | |
| планковская температура | 1,416 784(16) ⋅1032 К[7] |
Постоянные, связывающие разные системы единиц, и переводные множители
править| Название | Символ | Значение | Прим. |
|---|---|---|---|
| постоянная тонкой структуры | (система СИ) | 7,297 352 5643(11)⋅10−3 | |
| 137,035 999 177(21) | |||
| электрическая постоянная | 8,854 187 8188(14) ⋅10−12 Ф·м−1 | ||
| атомная единица массы | = 1 а. е. м. | 1,660 539 068 92(52)⋅10−27 кг | |
| 1 а. е. м. | 1,492 418 087 68(46)⋅10−10 Дж = 931,494 103 72(29) МэВ[8] |
||
| постоянная Авогадро | 6,022 140 76⋅1023 моль−1[9] | точно | |
| 1 электронвольт | эВ | 1,602 176 634⋅10−19 Дж = 1,602 176 634⋅10−12 эрг |
точно |
| 1 калория (международная) | 1 кал | 4,1868 Дж | точно[10] |
| литр·атмосфера | 1 л·атм | 101,325 Дж | |
| 2,30259 RT[11] | 5,706 кДж·моль−1 (при 298 К) | ||
| 1 кДж·моль−1 | 83,593 см−1[12] |
Электромагнитные постоянные
правитьНижеследующие константы были точными до изменений определений основных единиц СИ 2018—2019 годов, но стали экспериментально определяемыми величинами в результате этих изменений.
| Название | Символ | Значение | Прим. |
|---|---|---|---|
| магнитная постоянная[13] | 1,256 637 061 27(20) ⋅10-6 Гн·м−1 = 1,256 637 061 27(20) ⋅10-6 Н·А−2 (через основные единицы СИ: кг·м·с−2·А−2) | ранее точно Гн/м | |
| волновое сопротивление вакуума[14] | Ом. | ||
| электрическая постоянная | 8,854 187 8188(14) ⋅10−12 Ф·м−1 (через основные единицы СИ: кг−1·м−3·с4·А2) | ||
| постоянная Кулона | ≈ 8,987 55 ⋅109 Ф−1·м (через основные единицы: кг·м3·с−4·А−2) |
Некоторые другие физические постоянные
править| Название | Символ | Значение | Прим. |
|---|---|---|---|
| Массы элементарных частиц: масса электрона |
9,109 383 7139(28)⋅10−31 кг (абсол.) = 0,0005485799090441(97) а. е. м. (относит.) |
||
| масса протона | 1,672 621 925 95(52)⋅10−27 кг = 1,0072764665789(83) а. е. м. |
||
| масса нейтрона | 1,674 927 500 56(85)⋅10−27 кг = 1,008 664 916 06(40) а. е. м. |
||
| М протон плюс электрон (абсолютная масса атома водорода 1H) | ≈ 1,673 5328⋅10−27 кг = 1,007825 а.е.м. (относит.) |
||
| магнитный момент электрона | −928,476 469 17(29)⋅10−26 Дж·Тл−1 | ||
| магнитный момент протона | 1,410 606 795 45(60)⋅10−26 Дж·Тл−1 | ||
| магнетон Бора | 927,401 006 57(29)⋅10−26 Дж·Тл−1[15] | ||
| ядерный магнетон | 5,050 783 7393(16)⋅10−27 Дж·Тл−1 | ||
| g-фактор свободного электрона | 2,002 319 304 360 92(36) | ||
| гиромагнитное отношение протона | 2,675 221 8708(11)⋅108 с−1·Тл−1 | ||
| постоянная Фарадея | 96 485,332 12… Кл·моль−1 | ||
| универсальная газовая постоянная | 8,314 462 618… Дж·К−1·моль−1 ≈ 0,082057 л·атм·К−1·моль−1 |
||
| молярный объём идеального газа (при 273,15 К, 101,325 кПа) | 22,413 969 54… ⋅10−3 м³·моль−1 | ||
| стандартное атмосферное давление (н.у.) | атм | 101 325 Па | точно[10] |
| боровский радиус | 0,529 177 210 544(82)⋅10−10 м | ||
| энергия Хартри | 4,359 744 722 2060(48)⋅10−18 Дж | ||
| постоянная Ридберга | 10 973 731,568 157(12) м−1 | ||
| первая радиационная постоянная | 3,741 771 852… ⋅10−16 Вт·м² | ||
| вторая радиационная постоянная | 1,438 776 877… ⋅10−2 м·К | ||
| постоянная Стефана-Больцмана | 5,670 374 419… ⋅10−8 Вт·м−2·К−4 | ||
| постоянная Вина | 2,897 771 955… ⋅10−3м·К | ||
| стандартное ускорение свободного падения на поверхности Земли | 9,806 65 м·с−2 | точно[10] | |
| Температура тройной точки воды | 273,16 K |
См. также
правитьПримечания
править- ↑ Фундаментальные физические константы Архивная копия от 22 марта 2012 на Wayback Machine // Физическая энциклопедия, т. 5. М.: Большая Российская энциклопедия, 1998, с. 381—383.
- ↑ 1 2 CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants. Дата обращения: 21 мая 2024. Архивировано 2 июня 2008 года.
- ↑ Planck mass. physics.nist.gov. Дата обращения: 28 июня 2015. Архивировано из оригинала 14 июня 2015 года.
- ↑ NIST, «Planck length Архивная копия от 22 ноября 2018 на Wayback Machine» (англ.), NIST’s published Архивная копия от 13 августа 2001 на Wayback Machine CODATA constants
- ↑ Fundamental Physical Constants — Complete Listing. Дата обращения: 19 мая 2008. Архивировано 8 декабря 2013 года.
- ↑ Planck time. physics.nist.gov. Дата обращения: 28 июня 2015. Архивировано из оригинала 14 июня 2015 года.
- ↑ Planck temperature. physics.nist.gov. Дата обращения: 28 июня 2015. Архивировано из оригинала 14 июня 2015 года.
- ↑ из соотношения E = mc2
- ↑ Avogadro constant Архивная копия от 8 октября 2013 на Wayback Machine — CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants
- ↑ 1 2 3 Это точное значение условной величины, зафиксированной в документах как стандартной.
- ↑ из отношения, определяющего зависимость свободной энергии от концентрации (парциального давления):
2,30259 — модуль перехода (логарифмы) - ↑ из соотношения , где выражено в обратных сантиметрах см−1
- ↑ CODATA Value: Vacuum permeability. Дата обращения: 7 июля 2014. Архивировано 4 марта 2016 года.
- ↑ CODATA Value: Characteristic impedance of vacuum. Дата обращения: 7 июля 2014. Архивировано из оригинала 4 марта 2016 года.
- ↑ Bohr magneton. physics.nist.gov. Архивировано 16 августа 2022 года.
Ссылки
править- Fundamental Physical Constants — Complete Listing (англ.).
- Cohen E.R., Crowe C.M., Dumond J.W.M. Fundamental constants of physics. N.Y., L., 1957, 287 p.
- Barrow J.D. The Constants of Nature: From Alpha to Omega. London: Jonathan Cape, 2002. N.Y.: Pantheon, 2003, 353 p.
- Wilczek F. Fundamental Constants // arXiv:0708.4361, то же: Frank Wilczek web site.
- Окунь Л. Б. Фундаментальные константы физики // УФН, 161 (9) с.177-194 (1991) (pdf).
- Каршенбойм С. Г. Фундаментальные физические константы: роль в физике и метрологии и рекомендованные значения // УФН, 175, № 3, с.271-298 (2005) (pdf).
- Рубаков В. А. Иерархии фундаментальных констант (к пунктам 16, 17 и 27 из списка В. Л. Гинзбурга) // УФН, 177, № 4, c.407-414 (2007) (pdf).
- Фритцш Х. Фундаментальные физические постоянные // УФН, 179, № 4, с.383-392 (2009) (pdf).
- Томилин К. А. Фундаментальные физические постоянные в историческом и методологическом аспектах. М.: Физматлит, 2006, 368 с. (djvu)
- Спиридонов О. П. Фундаментальные физические постоянные. М.: Высшая школа, 1991, 238 с.
- Сагитов М. У. Постоянная тяготения и масса Земли. М.: Наука, 1969, 188 с.
- Квантовая метрология и фундаментальные константы. М.: Мир, 1981, 368 с.