Фундаментальные физические константы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Фундаментальные физические константы

Введение

Фундаментальные физические константы - одни из важнейших элементов современной физической картины мира. Эволюция этого понятия тесно связана с эволюцией физики и отражает общие закономерности развития физического знания. В классической физике физические константы появились в связи с установлением специфических свойств материальных объектов (плотности тел, скорость звука, света и т.д.) и не играли в структуре физической теории такой фундаментальной роли, которую они приобрели в XX в. В результате научной революции конца XIX - начала XX вв. физическая теория вышла на качественно новый уровень своего развития, изменилось понятие физической реальности, а такие физические постоянные, как скорость света и постоянная Планка, приобрели фундаментальный статус. Дальнейшее развитие физики также отражает развитие концепции фундаментальных постоянных, особенно в связи с открытием макроскопических квантовых эффектов, что привело к революции в метрологии и ее переходу в квантовую метрологию.

В данной работе ставится задача исследования основных концептуальных моментов эволюции физики, связанных с появлением и «фундаментализацией» физических постоянных, изучение истории опытов и первооткрывателей, которые открыли фундаментальные физические постоянные.

Главы посвящены истории пяти постоянных - скорости света с, гравитационной постоянной G, постоянной Планка h, элементарному заряду e, постоянной Больцмана k.

Если история скорости света и постоянной Планка в целом была достаточно основательно исследована в связи с историей возникновения специальной теории относительности (СТО) и квантовой механики (КМ), то история появления гравитационной постоянной до сих пор была совершенно неизученной. Также в XX в. получило широкое распространение модернизация истории физики со стороны физиков, имеющих свое представление об исторической реальности, что привело к искажению реальной истории, в том числе истории фундаментальных физических постоянных. Поэтому данная работа так же посвящена исследованию новых фундаментальных физических постоянных, возникших на рубеже XX-XXI веков.

В своей работе я основывалась на статьи журнала «Успехи физических наук»: «Фундаментальные физические константы: роль в физике и метрологии и рекомендованные значения» Каршенбойма С.Г. и «Иерархии фундаментальных констант (к пунктам 16,17 и 27 из списка В.Л. Гинзбурга)» Рубакова В.А.

1. Понятие фундаментальных физических констант

физический константа гравитационный

Фундаментальные физические постоянные - постоянные, входящие в уравнения, описывающие фундаментальные законы природы и свойства материи. 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.

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.

2. Характеристика основных фундаментальных физических констант

2.1 Скорость света в вакууме

Скорость света в вакууме - абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c».

Скорость света в вакууме - фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства пространства-времени в целом. По современным представлениям, скорость света в вакууме - предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

Наиболее точное измерение скорости света

с=299 792 458 ± 1,2 м/с

на основе эталонного метра было проведено в 1975 году.

На данный момент считают, что скорость света в вакууме - фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная

с=299 792 458 м/с = 1 079 252 848,8 км/ч.

Точность значения связана с тем, что с 1983 года метр в Международной системе единиц (СИ) определён, как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 с. Для решения школьных задач и разного рода оценок, не требующих большой точности, обычно используют значение

с=300 000 000 м/с (3Ч10⁸ м/с).

В природе со скоростью света в вакууме распространяются:

· собственно, видимый свет и другие виды электромагнитного излучения (радиоволны, рентгеновские лучи, гамма-кванты и др.);

· предположительно - гравитационные волны.

Массивные частицы могут иметь скорость, приближающуюся почти вплотную к скорости света, но всё же не достигающую её точно. Например, околосветовую скорость имеют массивные частицы, полученные на ускорителе или входящие в состав космических лучей.

В современной физике считается хорошо обоснованным утверждение, что причинное воздействие не может переноситься со скоростью, большей скорости света в вакууме (в том числе посредством переноса такого воздействия каким-либо физическим телом). Существует, однако, проблема «запутанных состояний» частиц, которые, судя по всему, «узнают» о состоянии друг друга мгновенно. Однако и в этом случае сверхсветовой передачи информации не происходит, поскольку два запутанных фотона всё равно разлетаются друг от друга со скоростью света.

Хотя в принципе, движение каких-то объектов со скоростью, большей скорости света в вакууме, вполне возможно, однако это могут быть, с современной точки зрения, только такие объекты, которые не могут быть использованы для переноса информации с их движением.

Например, солнечный зайчик в принципе может двигаться по стене со скоростью большей скорости света, но никак не может быть использован для передачи информации с такой скоростью от одной точки стены к другой.

2.2 Гравитационная постоянная

Гравитационная постоянная, постоянная Ньютона - фундаментальная физическая постоянная, константа гравитационного взаимодействия.

Гравитационная постоянная фигурирует в современной записи закона всемирного тяготения, однако отсутствовала в явном виде у Ньютона и в работах других ученых вплоть до начала XIX века.

Гравитационная постоянная в нынешнем виде впервые была введена в закон всемирного тяготения, по-видимому, только после перехода к единой метрической системе мер. Возможно, впервые это было сделано французским физиком Пуассоном в «Трактате по механике» (1809). По крайней мере никаких более ранних работ, в которых фигурировала бы гравитационная постоянная, историками не выявлено.

В 1798 году Генри Кавендиш поставил эксперимент с целью определения средней плотности Земли с помощью крутильных весов, изобретённых Джоном Митчеллом (Philosophical Transactions 1798). Кавендиш сравнивал маятниковые колебания пробного тела под действием тяготения шаров известной массы и под действием тяготения Земли. Численное значение гравитационной постоянной было вычислено позже на основе значения средней плотности Земли. Точность измеренного значения G со времён Кавендиша увеличилась, но и его результат был уже достаточно близок к современному.

В 2000 г. было получено значение гравитационной постоянной

см³ г^-1 c^-2, с погрешностью 0,0014%.

Последнее значение гравитационной постоянной было получено группой ученых в 2013, работавших под эгидой Международного Бюро Мер и Весов, и оно составляет

см³ г^-1 c^-2.

В будущем, если опытным путём будет установлено более точное значение гравитационной постоянной, то оно может быть пересмотрено.

Значение этой постоянной известно гораздо менее точно, чем у всех других фундаментальных физических постоянных, и результаты экспериментов по его уточнению продолжают различаться. В то же время известно, что проблемы не связаны с изменением самой постоянной от места к месту и во времени, но вызваны экспериментальными трудностями измерения малых сил с учётом большого числа внешних факторов.

По астрономическим данным постоянная G практически не изменялась за последние сотни миллионов лет, ее относительное изменение не превышает 10^?11 - 10^?12 в год.

Согласно Ньютоновскому закону всемирного тяготения, сила гравитационного притяжения F между двумя материальными точками с массами m₁ и m₂, находящимися на расстоянии r, равна:

Коэффициент пропорциональности G в этом уравнении называется гравитационной постоянной. Численно она равна модулю силы тяготения, действующей на точечное тело единичной массы со стороны другого такого же тела, находящегося от него на единичном расстоянии.

В единицах Международной системы единиц (СИ) рекомендованное Комитетом данных для науки и техники (CODATA) на 2008 год значение было

G = 6,67428 (67)·10^?11 м³·с^?2·кг^?1

в 2010 году значение было исправлено на:

G = 6,67384 (80)·10^?11 м³·с^?2·кг^?1, или Н·мІ·кг^?2.

В октябре 2010 в журнале Physical Review Letters появилась статья, предлагающая уточнённое значение 6,67234 (14), что на три стандартных отклонения меньше величины G, рекомендованной в 2008 г. комитетом данных для науки и техники (CODATA), но соответствует более раннему значению CODATA, представленному в 1986 г.

Пересмотр величины G, произошедший в период с 1986 г. по 2008 г., был вызван исследованиями неупругости нитей подвесок в крутильных весах.

Гравитационная постоянная является основой для перевода других физических и астрономических величин, таких, например, как массы планет во Вселенной, включая Землю, а также других космических тел, в традиционные единицы измерения, например, килограммы. При этом из-за слабости гравитационного взаимодействия и результирующей малой точности измерений гравитационной постоянной отношения масс космических тел обычно известны намного точнее, чем индивидуальные массы в килограммах.

2.3 Постоянная Планка (элементарный квант действия)

В отличие от многих фундаментальных физических констант постоянная Планка h имеет точную дату своего рождения - 14 декабря 1900 г. В этот день профессор Берлинского университета Макс Карл Эрнст Людвиг Планк сделал доклад, в котором для объяснения излучательной способности чёрного тела была дана формула, в которой фигурировала новая для физики величина h.

Постоянная Планка (квант действия) - основная константа квантовой теории, коэффициент, связывающий величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой так же, как и вообще величину кванта энергии любой линейной колебательной физической системы с её частотой. Связывает энергию и импульс с частотой и пространственной частотой, действия с фазой. Является квантом момента импульса. Впервые упомянута Планком в работе, посвящённой тепловому излучению, и потому названа в его честь. Обычное обозначение - латинское .

Дж·c

Часто применяется величина

Дж·c,

называемая редуцированной (иногда рационализированной или приведённой) постоянной Планка или постоянной Дирака. Применение этого обозначения упрощает многие формулы квантовой механики, так как в эти формулы традиционная постоянная Планка входит в виде деленной на константу .

Формула Планка - выражение для спектральной плотности мощности излучения абсолютно чёрного тела, которое было получено Максом Планком для равновесной плотности излучения . Формула Планка была получена после того, как стало ясно, что формула Рэлея - Джинса удовлетворительно описывает излучение только в области длинных волн.

В 1900 году Планк предложил формулу с постоянной (впоследствии названной постоянной Планка), которая хорошо согласовывалась с экспериментальными данными. При этом Планк полагал, что данная формула является всего лишь удачным математическим трюком, но не имеет физического смысла. То есть Планк не предполагал, что электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых связана с частотой излучения выражением:

Коэффициент пропорциональности впоследствии назвали постоянной Планка,

= 1.054·10^?34 Дж·с.

На 24-й Генеральной конференции по мерам и весам 17-21 октября 2011 года была единогласно принята резолюция, в которой, в частности, предложено в будущей ревизии Международной системы единиц (СИ) переопределить единицы измерений СИ таким образом, чтобы постоянная Планка была равной точно

h=6,62606X·10^?34 Дж·с,

где Х заменяет одну или более значащих цифр, которые будут определены в дальнейшем на основании наиболее точных рекомендаций CODATA.

2.4 Элементарный заряд

Элементарный электрический заряд - фундаментальная физическая постоянная, минимальная порция (квант) электрического заряда. Равен приблизительно

e=1,602 176 565 (35)·10^?19 Кл

в Международной системе единиц (СИ). Тесно связан с постоянной тонкой структуры, описывающей электромагнитное взаимодействие.

«Любой наблюдаемый в эксперименте электрический заряд всегда кратен элементарному» - такое предположение было высказано Б. Франклином в 1752 году и в дальнейшем неоднократно проверялось экспериментально. Впервые элементарный заряд был экспериментально измерен Милликеном в 1910 году.

Тот факт, что электрический заряд встречается в природе лишь в виде целого числа элементарных зарядов, можно назвать квантованием электрического заряда. При этом в классической электродинамике вопрос о причинах квантования заряда не обсуждается, поскольку заряд является внешним параметром, а не динамической переменной. Удовлетворительного объяснения, почему заряд обязан квантоваться, пока не найдено, однако уже получен ряд интересных наблюдений.

· Если в природе существует магнитный монополь, то, согласно квантовой механике, его магнитный заряд обязан находиться в определённом соотношении с зарядом любой выбранной элементарной частицы. Отсюда автоматически следует, что одно только существование магнитного монополя влечёт за собой квантование заряда. Однако обнаружить в природе магнитный монополь не удалось.

· В современной физике элементарных частиц разрабатываются и другие модели, в которых все известные фундаментальные частицы оказывались бы простыми комбинациями новых, ещё более фундаментальных частиц. В этом случае квантование заряда наблюдаемых частиц не представляется удивительным, поскольку оно возникает «по построению».

Не исключено также, что все параметры наблюдающихся частиц будут описаны в рамках единой теории поля, подходы к которой разрабатываются в настоящее время. В таких теориях величина электрического заряда частиц должна вычисляться из крайне небольшого числа фундаментальных параметров, возможно, связанных со структурой пространства-времени на сверхмалых расстояниях. Если такая теория будет построена, тогда то, что мы наблюдаем как элементарный электрический заряд, окажется некоторым дискретным инвариантом пространства-времени. Такой подход развивается, например, в модели С. Бильсона-Томпсона, в которой фермионы стандартной модели интерпретируются, как три ленты пространства-времени, заплетённые в косу, а электрический заряд (точнее, треть от него) соответствует перекрученной на 180° ленте. Однако несмотря на изящество таких моделей, конкретных общепринятых результатов в этом направлении пока не получено.

2.5 Постоянная Больцмана

Среди фундаментальных постоянных постоянная Больцмана k занимает особое место. Ещё в 1899 г. М. Планк предлагал следующие четыре числовых константы в качестве фундаментальных для построения единой физики: скорость света c, квант действия h, гравитационную постоянную G и постоянную Больцмана k. Среди этих констант k занимает особое место. Она не определяет элементарных физических процессов и не входит в основные принципы динамики, но устанавливает связь между микроскопическими динамическими явлениями и макроскопическими характеристиками состояния частиц. Она же входит в фундаментальный закон природы, связывающий энтропию системы S с термодинамической вероятностью её состояния W:

S=klnW (формула Больцмана)

и определяющий направленность физических процессов в природе. Особое внимание следует обратить на то, что появление постоянной Больцмана в той или иной формуле классической физики всякий раз совершенно отчётливо указывает на статистический характер описываемого ею явления. Понимание физической сущности постоянной Больцмана требует вскрытия громадных пластов физики - статистики и термодинамики, теории эволюции и космогонии.

Исследования Л. Больцмана

Начиная с 1866 г. Одна за другой выходят в свет работы австрийского теоретика Л. Больцмана. В них статистическая теория получает столь солидное обоснование, что превращается в подлинную науку о физических свойствах коллективов частиц.

Распределение было получено Максвеллом для простейшего случая одноатомного идеального газа. В 1868 г. Больцман показывает, что и многоатомные газы в состоянии равновесия будут также описываться распределением Максвелла.

Больцман развивает в трудах Клаузиуса представление о том, что газовые молекулы нельзя рассматривать как отдельные материальные точки. У многоатомных молекул имеются ещё вращение молекулы как целого и колебания составляющих её атомов. Он вводит в рассмотрение число степеней свободы молекул как число «переменных, требующихся для определения положения всех составных частей молекулы в пространстве и их положения друг относительно друга» и показывает, что из данных эксперимента по теплоёмкости газов следует равномерное распределение энергии между различными степенями свободы. На каждую степень свободы приходится одна и та же энергия

Больцмана напрямую связал характеристики микромира с характеристиками макромира. Вот ключевая формула, устанавливающая это соотношение:

1/2 mv2 = kT

где m и v - соответственно масса и средняя скорость движения молекул газа, Т - температура газа (по абсолютной шкале Кельвина), а k - постоянная Больцмана. Это уравнение прокладывает мостик между двумя мирами, связывая характеристики атомного уровня (в левой части) с объемными свойствами (в правой части), которые можно измерить при помощи человеческих приборов, в данном случае термометров. Эту связь обеспечивает постоянная Больцмана k, равная 1,38 x 10-23 Дж/К.

Заканчивая разговор о постоянной Больцмана, хочется ещё раз подчеркнуть её фундаментальное значение в науке. Она содержит в себе громадные пласты физики - атомистика и молекулярно-кинетическая теория строения вещества, статистическая теория и сущность тепловых процессов. Изучение необратимости тепловых процессов раскрыло природу физической эволюции, сконцентрировавшейся в формуле Больцмана S=klnW. Следует подчеркнуть, что положение, согласно которому замкнутая система рано или поздно придёт в состояние термодинамического равновесия, справедливо лишь для изолированных систем и систем, находящихся в стационарных внешних условиях. В нашей Вселенной непрерывно происходят процессы, результатом которых является изменение её пространственных свойств. Нестационарность Вселенной неизбежно приводит к отсутствию в ней статистического равновесия.

Заключение

Постоянная скорости света была открыта в конце XVII - начале XVIII вв. как специфическая характеристика света - ее скорость распространения. Статус с существенно вырос после опыта В. Вебера и Р. Кольрауша (1856) и последовавшем затем объединении электричества и магнетизма и создании электромагнитной теории света (Максвелл, 1860-е гг.). Дальнейшее развитие физики (открытие релятивистских преобразований, отрицательные результаты опытов по обнаружению абсолютного движения) закономерно привело к отказу от абсолютности пространства и времени, к установлению фундаментальности скорости света, операциональному определению одновременности, реабилитации принципа относительности с учетом фундаментальности с (принцип релятивистской инвариантности), открытию связи пространства и времени и переформулировке классической механики и других теорий на этой основе (Г. Лоренц, А. Пуанкаре, А. Эйнштейн, Г. Минковский).

Постоянные Планка h и Больцмана к появились в 1900 г. в результате исследования взаимодействия теплового излучения с веществом как размерные коэффициенты в законе теплового излучения. Постоянные, вводившиеся другими учеными в 1890-е годы в связи с предлагавшимися ими законами теплового излучения, являются комбинациями постоянных h, к и с и математических постоянных. В дальнейшем выяснилась эвристическая роль постоянной Планка в объяснении фотоэффекта (Эйнштейн) и теории строения атома (Бор). Дальнейшее развитие физики закономерно привело к пересмотру основ классической механики и созданию в 1925-27 гг. квантовой механики, в которой постоянная Планка играет фундаментальную роль.

Постоянная е (элементарный заряд) появилась в результате открытия законов электролиза с учетом концепции атомарного строения вещества. Роль элементарного заряда выросла в связи теорией атома и атомного ядра (квантование заряда ядра в единицах е) и с развитием физики элементарных частиц (все свободные частицы имеют заряды, кратные е). Квантование заряда в единицах е ставит элементарный заряд в один ряд с постоянными с и Л в связи с их ролью естественных масштабов физических величин. В то же время, появление е, в отличие от постоянных с и /г, не привело к пересмотру оснований физических теорий и их модификации.

Гравитационная постоянная в законе всемирного тяготения появилась не ранее начала XIX века, после реформы системы мер во Франции в конце XVIII века. Возможно, первым ее ввел С.Д. Пуассон в «Трактате по механике» (1811). Опыт Кавендиша был поставлен с целью определения средней плотности Земли, а не гравитационной постоянной, понятия которой в то время еще не существовало. Однако этот опыт открыл возможность определения численного значения гравитационной постоянной в практических единицах. Гравитационная постоянная рассматривается ныне как такая же фундаментальная постоянная, как си И, в связи с ролью планковских величин как границ применимости основных физических теорий.

Появление фундаментальных постоянных явилось закономерным результатом развития физики. Открытие и осознание фундаментального статуса постоянных привело к квантово-релятивистской перестройке всей физики, а классические теории оказались лишь предельным случаем более общих теорий, основанных на фундаментальности тех или иных постоянных.

Список литературы

1. Найдыш В.М. «Концепции современного естествознания» Учебник. - Изд. 2-е, перераб. И доп. - М.:Альфа-М; ИНФРА-М, 2003. - 622 с.

2. Журнал «Успехи физических наук», том 175, №3, Каршенбойм С.Г. «Фундаментальные физические константы: роль в физике и метрологии и рекомендованные значения», Москва, 2005 г. - 298 с.

3. Журнал «Успехи физических наук», том 177, №4, Рубаков В.А. «Иерархии фундаментальных констант (к пунктам 16,17 и 27 из списка В.Л. Гинзбурга)», Москва, 2007 г. - 414 с.

Размещено на Allbest.ru