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 т _e и протона т _р; 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 R_oo, определяющей атомные спектры; тонкой структуры постоянной ос, характеризующей эффекты квантовой электродинамики и тонкую структуру атомных спектров; магнитных моментов электрона и протона m _е и m _р; константы Ферми G_F и угла Вайнберга q_W, характеризующих эффекты слабого взаимодействия; массы промежуточных Z⁰ -и W-бозонов т _Z 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 G_F перестаёт быть независимой и выражается через константы , a, q_W 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)^1/22,2^.10^-5 г, планковская единица длины l _Р =/т_P с = (G/с³)1,5^.10^-35 м, планковская единица времени t _Р =l_P/с = (G/c⁵)^1/25,4^.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 т _e, е и , единицей длины служит боровский радиус а₀=/m _е сa5,3^.10^-9 см, единицей скорости - скорость электрона на первой боровской орбите u₀=a с, единицей

энергии - удвоенный ионизац. потенциал атома водорода = m _е с²a² = 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 K_J = 2 е/h = 483597,9 ГТц ^. В ^-1. Квантовый Холла эффект характеризуется квантованным холловским сопротивлением R_H = R_K/i, i=1, 2, 3, ..., где постоянная фон Клит-цинга R_K = h/ е² = m₀c/2a имеет размерность электрич. сопротивления. Т. о., фиксирование (1990) значения R_K =25812,807 Ом даёт хорошо воспроизводимое представление единицы электрич. сопротивления.

Константа R_K однозначно связана с a - осн. константой квантовой электродинамики, значение к-рой определяется с высокой точностью независимым образом. Постоянная а связана также с константой К _J:

где g' _р и m'_p -гиромагнитное отношение и магн. момент протона в воде, m _Б - 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 N_A. Имеется соот-

ношение, связывающее N_A 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 R_oo 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: m_d/m_p = 0,3070122081(4). Соответственно изменятся все др. отношения, включающие m_d. 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 а _е 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.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.