ФУНДАМЕНТА́ЛЬНЫЕ ФИЗИ́ЧЕСКИЕ КОНСТА́НТЫ

ФУНДАМЕНТА́ЛЬНЫЕ ФИЗИ́ЧЕСКИЕ КОН­СТА́НТЫ, по­сто­ян­ные, ис­поль­зуе­мые при опи­са­нии фун­дам. за­ко­нов при­ро­ды и свойств ма­те­рии. Ф. ф. к. оп­ре­де­ля­ют точ­ность, пол­но­ту и един­ст­во на­ших пред­став­ле­ний об ок­ру­жаю­щем ми­ре. В этой ро­ли Ф. ф. к. мо­гут вы­сту­пать как на­бор ве­ли­чин, воз­ни­каю­щих в тео­ре­тич. мо­де­лях на­блю­дае­мых яв­лений и вхо­дя­щих в ка­че­ст­ве уни­вер­саль­ных ко­эф­фи­ци­ен­тов в со­от­вет­ст­вую­щие ма­те­ма­тич. вы­ра­же­ния. В ре­зуль­та­те Ф. ф. к. при­во­дят к ин­ва­ри­ант­ным со­от­но­ше­ни­ям ме­ж­ду из­ме­ряе­мы­ми ве­ли­чи­на­ми. Та­ким об­ра­зом, Ф. ф. к. мо­гут так­же ха­рак­те­ри­зо­вать не­по­сред­ст­вен­но из­ме­ряе­мые свой­ст­ва ма­те­рии и фун­дам. сил при­ро­ды. В ито­ге Ф. ф. к. со­вме­ст­но с под­хо­дя­щей тео­ри­ей долж­ны объ­яс­нять по­ве­де­ние лю­бой фи­зич. сис­те­мы как на мик­ро­ско­пич., так и на мак­ро­ско­пич. уров­не. На­бор Ф. ф. к. не яв­ля­ет­ся фик­си­ро­ван­ным и тес­но свя­зан с вы­бором сис­те­мы еди­ниц фи­зич. ве­ли­чин. Этот на­бор мо­жет уве­ли­чи­вать­ся вслед­ст­вие от­кры­тия но­вых яв­ле­ний или со­кра­щать­ся при по­строе­нии бо­лее об­щих фун­дам. тео­рий.

Наи­бо­лее час­то при­ме­няе­мы­ми Ф. ф. к. яв­ля­ют­ся: гра­ви­та­ци­он­ная по­сто­ян­ная G, вхо­дя­щая в за­кон все­мир­но­го тя­го­те­ния и урав­не­ния об­щей тео­рии от­но­си­тель­но­сти (ре­ля­ти­ви­ст­ской тео­рии гра­ви­та­ции); ско­рость све­та c, вхо­дя­щая в урав­не­ния элек­тро­ди­на­ми­ки и со­от­но­ше­ния спец. тео­рии от­но­си­тель­но­сти, оп­ре­де­ляю­щей един­ст­во про­стран­ст­ва и вре­ме­ни, а так­же об­ласть ре­ля­ти­ви­ст­ских яв­ле­ний; План­ка по­сто­ян­ная h, вхо­дя­щая в кван­то­вую тео­рию из­лу­че­ния, урав­не­ния кван­то­вой ме­ха­ни­ки и оп­ре­де­ляю­щая связь ме­ж­ду мик­ро- и мак­ро­ми­ром; за­ряд элек­тро­на e, яв­ляю­щий­ся эле­мен­тар­ным элек­три­че­ским за­ря­дом и вхо­дя­щий в мик­ро­ско­пич. урав­не­ния элек­тро­ди­на­ми­ки, в ча­ст­но­сти в за­кон Ку­ло­на; мас­сы элек­тро­на m_e и про­то­на m_p; Больц­ма­на по­сто­ян­ная k, оп­ре­де­ляю­щая связь ме­ж­ду темп-рой T и ха­рак­тер­ной энер­ги­ей ℰ тер­мо­ди­на­мич. сис­те­мы: ℰ=kТ.

Раз­ви­тие фи­зи­ки ато­ма, атом­но­го яд­ра и эле­мен­тар­ных час­тиц по­тре­бо­ва­ло вве­де­ния ря­да но­вых Ф. ф. к. К ним в пер­вую оче­редь от­но­сят­ся: Рид­бер­га по­сто­ян­ная R_∞ для бес­ко­неч­ной (по срав­не­нию с мас­сой элек­тро­на) мас­сы атом­но­го яд­ра, оп­ре­де­ляю­щая атом­ные спек­тры из­лу­че­ния; тон­кой струк­ту­ры по­сто­ян­ная α, ха­рак­те­ри­зую­щая эф­фек­ты кван­то­вой элек­тро­ди­на­ми­ки и тон­кую струк­ту­ру атом­ных спек­тров; маг­нит­ные мо­мен­ты элек­тро­на и про­то­на μ_e и μ_p; кон­стан­та Фер­ми G_F и угол Вайн­бер­га θ_W, ха­рак­те­ри­зую­щие эф­фек­ты сла­бо­го взаи­мо­дей­ст­вия; мас­сы m_Z и m_W век­тор­ных Z⁰- и W-бо­зо­нов, яв­ляю­щих­ся пе­ре­нос­чи­ка­ми сла­бо­го взаи­мо­дей­ст­вия. Важ­ную роль иг­ра­ют ас­т­ро­фи­зич. кон­стан­ты (см. Фун­да­мен­таль­ные ас­тро­но­ми­че­ские по­сто­ян­ные). Даль­ней­шее раз­ви­тие фи­зи­ки силь­ных взаи­мо­дей­ст­вий на ос­но­ве со­став­ной квар­ко­вой мо­де­ли ад­ро­нов и кван­то­вой хро­мо­ди­на­ми­ки, не­со­мнен­но, при­ве­дёт к по­яв­ле­нию но­вых Ф. ф. к. В слу­чае по­строе­ния объ­еди­нён­ных тео­рий фун­дам. взаи­мо­дей­ст­вий (элек­тро­маг­нит­но­го, сла­бо­го, силь­но­го и гра­ви­та­ци­он­но­го) уда­лось бы умень­шить чис­ло не­за­ви­си­мых Ф. ф. к. На этом пу­ти сде­лан по­ка толь­ко пер­вый шаг – соз­да­на еди­ная тео­рия элек­тро­маг­нит­но­го и сла­бо­го взаи­мо­дей­ст­вий (стан­дарт­ная мо­дель). В ре­зуль­та­те уда­лось свя­зать кон­стан­ты G_F, α, θ_W, m_W и m_Z.

Наи­бо­лее точ­ные зна­че­ния Ф. ф. к. обыч­но из­вле­ка­ют­ся из срав­не­ния ре­зуль­та­тов пре­ци­зи­он­ных из­ме­ре­ний с пред­ска­за­ния­ми со­от­вет­ст­вую­щих тео­ре­тич. мо­де­лей. Поч­ти все пе­ре­чис­лен­ные вы­ше Ф. ф. к. яв­ля­ют­ся раз­мер­ны­ми ве­ли­чи­на­ми (ис­клю­че­ние со­став­ля­ет по­сто­ян­ная тон­кой струк­ту­ры α). Т. о., чис­лен­ные зна­че­ния Ф. ф. к. за­ви­сят от вы­бо­ра сис­те­мы осн. фи­зич. еди­ниц и точ­но­сти их вос­про­из­ве­де­ния. В ито­ге воз­ни­ка­ет до­воль­но слож­ная про­це­ду­ра со­гла­со­ва­ния зна­че­ний Ф. ф. к. на ос­но­ве ме­то­да наи­мень­ших квад­ра­тов с учётом со­от­но­ше­ний, свя­зы­ваю­щих Ф. ф. к. По­след­нее та­кое со­гла­со­ва­ние про­ве­де­но в 2014 и пред­став­ле­но в Ин­тер­не­те (http://physics.nist.gov/cuu/Constants). Най­ден­ные зна­че­ния Ф. ф. к. ре­ко­мен­до­ва­ны К-том по сбо­ру дан­ных в об­лас­ти нау­ки и тех­ни­ки (CODATA) для ме­ж­ду­нар. ис­поль­зо­ва­ния.

Уточ­не­ние Ф. ф. к. име­ет важ­ное зна­че­ние для мет­ро­ло­гии, а так­же спо­соб­ст­ву­ет от­кры­тию ра­нее не­из­вест­ных или уст­ра­не­нию су­ще­ст­вую­щих про­ти­во­ре­чий в фи­зич. опи­са­нии при­ро­ды.

Ис­поль­зо­ва­ние Ф. ф. к. при­бли­жа­ет нас к ре­ше­нию за­да­чи, впер­вые вы­дви­ну­той во вре­ме­на Вел. франц. ре­во­лю­ции, – ус­та­нов­ле­нию «ис­тин­ной» сис­те­мы осн. фи­зич. еди­ниц на «ин­ва­ри­ант­ной ос­но­ве, фик­си­ро­ван­ной в при­ро­де». Ес­теств. еди­ни­цы из­ме­ре­ния, со­глас­но М. План­ку, оп­ре­де­ля­ют­ся так, что­бы не­ко­то­рые из Ф. ф. к. об­ра­ти­лись в еди­ни­цу (см. Ес­те­ст­вен­ные сис­те­мы еди­ниц). В сис­те­ме еди­ниц, пред­ло­жен­ной План­ком, еди­ни­це при­рав­ни­ва­ют­ся ско­рость све­та c=1, гра­ви­тац. по­сто­ян­ная G=1 и по­сто­ян­ная План­ка ћ=h/2π= 1. В этом слу­чае еди­ни­ца мас­сы m_Pl≈ 2,2·10^–5 г (план­ков­ская мас­са), еди­ни­ца дли­ны l_Pl≈1,6·10^–35 м (план­ков­ская дли­на), еди­ни­ца вре­ме­ни t_Pl≈5,4·10^–44 с (план­ков­ский про­ме­жу­ток вре­ме­ни). План­ков­ские еди­ни­цы на­хо­дят при­ме­не­ние в кван­то­вой гра­ви­та­ции, кос­мо­ло­гии и мо­де­лях объ­е­ди­не­ния всех фун­дам. взаи­мо­дей­ст­вий.

В атом­ной фи­зи­ке и не­ре­ля­ти­ви­ст­ской кван­то­вой ме­ха­ни­ке ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся сис­те­ма атом­ных еди­ниц (Хар­три сис­те­ма еди­ниц). В этой сис­те­ме при­рав­не­ны еди­ни­це мас­са элек­тро­на m_e, ве­ли­чи­на за­ря­да элек­тро­на e и по­сто­ян­ная План­ка ћ. Еди­ни­цей дли­ны слу­жит ра­ди­ус пер­вой бо­ров­ской ор­би­ты в ато­ме во­до­ро­да a₀≈5,3·10^–9 см, еди­ни­цей ско­ро­сти – ско­рость элек­тро­на на пер­вой бо­ров­ской ор­би­те v₀=αc, энер­гии – уд­во­ен­ный по­тен­ци­ал ио­ни­за­ции ато­ма во­до­ро­да E≈27,2 эВ.

В ре­ля­ти­ви­ст­ской кван­то­вой тео­рии (в ча­ст­но­сти, в кван­то­вой элек­тро­ди­на­ми­ке) и фи­зи­ке эле­мен­тар­ных час­тиц обыч­но ис­поль­зу­ет­ся сис­те­ма еди­ниц, в ко­то­рой ско­рость све­та c=1 и по­сто­ян­ная План­ка ћ=1. В этой сис­те­ме ос­та­ёт­ся од­на не­за­ви­си­мая еди­ни­ца, в ка­че­ст­ве ко­то­рой удоб­но вы­брать элек­трон­вольт – еди­ни­цу энер­гии. При этом квад­рат элек­трич. за­ря­да e²=α(4π).

При ис­поль­зо­ва­нии пе­ре­чис­лен­ных сис­тем еди­ниц су­ще­ст­вен­но уп­ро­ща­ет­ся за­пись урав­не­ний и со­от­но­ше­ний в со­от­вет­ст­вую­щих фи­зич. тео­ри­ях.

В мет­ро­ло­гии идут по др. пу­ти: со­хра­няя на­бор тра­диц. еди­ниц из­ме­ре­ния сис­те­мы СИ, ис­поль­зу­ют Ф. ф. к. для ус­та­нов­ле­ния со­от­но­ше­ний ме­ж­ду еди­ни­ца­ми фи­зич. ве­ли­чин с це­лью их вос­про­из­ве­де­ния. При этом воз­ни­ка­ет еди­ная сис­те­ма взаи­мо­свя­зан­ных эта­ло­нов осн. еди­ниц из­ме­ре­ния. Ны­не та­кая сис­те­ма эта­ло­нов ба­зи­ру­ет­ся в осн. на кван­то­вых яв­ле­ни­ях. Гл. эле­мен­том этой сис­те­мы яв­ля­ет­ся эта­лон вре­ме­ни-час­то­ты. По­вы­ше­ние точ­но­сти из­ме­ре­ния ско­ро­сти све­та c при­ве­ло к то­му, что ока­за­лось вы­год­нее фик­си­ро­вать зна­че­ние кон­стан­ты c и при­нять но­вое оп­ре­де­ле­ние (1983) еди­ни­цы дли­ны (мет­ра) как рас­стоя­ния, про­хо­ди­мо­го в ва­куу­ме пло­ской элек­тро­маг­нит­ной вол­ной за (1/c) се­кун­ды. Т. о., эта­лон дли­ны стал свя­зан с эта­ло­ном вре­ме­ни-час­то­ты, в ре­зуль­та­те че­го точ­ность вос­про­из­ве­де­ния еди­ни­цы дли­ны су­ще­ст­вен­но по­вы­си­лась. Это при­ве­ло к зна­чит. по­вы­ше­нию точ­но­сти зна­че­ния по­сто­ян­ной Рид­бер­га R_∞=α²m_ec/(2h), имею­щей раз­мер­ность об­рат­ной дли­ны.

Ис­поль­зуя со­от­но­ше­ние, опи­сы­ваю­щее Джо­зеф­со­на эф­фект: f=(2e/h)U, где f – час­то­та из­лу­че­ния, U – на­пря­же­ние, мож­но вос­про­из­ве­сти еди­ни­цу элек­трич. на­пря­же­ния – вольт – пу­тём под­бо­ра со­от­вет­ст­вую­щей час­то­ты, ес­ли за­фик­си­ро­вать зна­че­ние по­сто­ян­ной Джо­зеф­со­на K_J=2e/h.

Еди­ни­цу элек­трич. со­про­тив­ле­ния – ом – реа­ли­зу­ют на ос­но­ве кван­то­во­го эф­фек­та Хол­ла, ко­то­рый ха­рак­те­ри­зует­ся кван­то­ван­ным со­про­тив­ле­ни­ем R_H=R_K/i, i=1,2,3,... при фик­си­ро­ва­нии зна­че­ния по­сто­ян­ной фон Клит­цин­га R_K=h/e². Кон­стан­ты R_∞, K_J, R_K тес­но свя­за­ны с по­сто­ян­ной тон­кой струк­ту­ры α=e²/(4πћc), иг­раю­щей важ­ную роль в со­гла­со­ва­нии зна­че­ний Ф. ф. к. Наи­бо­лее точ­ное зна­че­ние α, при­ня­тое CODATA, по­лу­ча­ет­ся из срав­не­ния из­ме­рен­но­го ано­маль­но­го маг­нит­но­го мо­мен­та элек­тро­на с ре­зуль­та­том вы­чис­ле­ния его зна­че­ния в рам­ках кван­то­вой элек­тро­ди­на­ми­ки.

Мож­но ожи­дать, что вско­ре бу­дет при­ня­то пе­ре­оп­ре­де­ле­ние ки­ло­грам­ма и ам­пе­ра, ос­но­ван­ное на фик­си­ро­ван­ных зна­че­ни­ях h и c.