Фундаментальные мировые константы и их значение

 

 

Оглавление

 

 

Введение…………………………………………………………….………	3
1  Фундаментальные  мировые константы……………………………………………………………………	4
2  Значение  Фундаментальных мировых констант………………………	13
3  Заключение…………………………………………................................	15
4 Литература ………………………………………………………………..	16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

       Даже схематичная и  общая   характеристика  идеи  возникновения   всего(Вселенной) из ничего, или  вакуума, вызывает  у  мыслящего   человека  немало удивления.  Но  этим  дело  не  ограничивается:  по  мере  того  как  ученые проникали  в  детали  этого  процесса,  перед  ними  открывались  все  более удивительные вещи. Первая из них, связана с так называемыми фундаментальными постоянными, которые, нередко называют еще мировыми константами.

       Принято отличать  простые постоянные  величины  от  фундаментальных универсальных постоянных.  Например,  Земля имеет постоянную  массу,   но существуют другие планеты, масса которых существенно отлична от  земной. Значит, масса планеты не является универсальной постоянной. Тогда как  масса электрона  или  масса  протона  всюду  во   Вселенной   одинакова,   это   - универсальные постоянные. Специфические свойства  отдельных  систем  зависят от тех или иных законов движения и различных начальных условий.

       Однако такие параметры любых  систем, как размер, масса, время  жизни и другие, с точностью  до порядка  величины  часто   определяются  исключительно значениями  таких фундаментальных постоянных, как гравитационная  постоянная, постоянная Планка, скорость света, масса электрона, масса протона и др.

       Общее число фундаментальных   универсальных  постоянных  невелико.  Но оказывается, что для довольно  полного  описания  природы   требуется  совсем немного  таких параметров. 

 

 

 

 

1. . Фундаментальные мировые константы

Фундаментальные физические постоянные - одни из важнейших элементов современной физической картины мира. Эволюция этого понятия непосредственно связана с эволюцией физики и отражает основную закономерность развития физического знания - переход от классической физики, не содержащей постоянных, которые имели фундаментальный статус, к современной физике, в которой центральную роль играют фундаментальные постоянные.

 Физические постоянные в классической физике появились в связи с установлением специфических свойств материальных объектов, а также с открытием законов сохранения, но они не играли в структуре физической теории такой фундаментальной роли, какую они приобрели в XX в. В результате научной революции конца XIX - начала XX веков физика, которая считалась почти законченной теорией, вышла на качественно новый уровень своего развития, были развиты новые физические теории, в которых физические постоянные, приобрели фундаментальный статус, при этом классические теории сохранили свое значение лишь как предельные случаи этих новых теорий, когда характерные масштабы далеки от значений фундаментальных постоянных. 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 конце XX века в квантовую метрологию. Поэтому феноменологически всю историю физики можно рассматривать как закономерную эволюцию концепции фундаментальных физических постоянных.

Фундаментальные мировые  постоянные занимают ведущее место  среди множества других физических констант. В их число входят: гравитационная постоянная, скорость света в вакууме, фиксированные величины масс протонов и электронов, постоянна Планка и некоторые другие. Многократные научные эксперименты неоднократно подтвердили тот факт, что эти величины являются константами, то есть неизменны во времени.

Поразительно  узкий диапазон допустимых вариаций числовых значений мировых констант свидетельствует не только об уникальности нашей Вселенной, но и о неоспоримой важности этих значений.

В Стандартной  модели элементарных частиц насчитывается 26 констант, измеренных экспериментальным  путем и используемых в теоретических  расчетах. Немалую часть их составляют значения массы элементарных частиц — кварков, лептонов, бозонов. Уже сейчас теоретики считают, что 26 констант в одной только квантовой физике — явный перебор. А ведь на уровне кварков и лептонов мир не кончается. Константы есть и в Макрокосме. Пока никто не скажет, сколько их требуется, чтобы скрепить неколебимые устои мироздания. Всего в новейшем перечне, который составила группа известных физиков — Макс Тегмарк, Энтони Агирре, Мартин Рис и нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек, — содержится 11 космологических констант. 

Вместе с постоянными, правящими миром на уровне Микрокосма, получается: 11 + 26. Итого 37 констант, но споры об их числе продолжаются. В этой дискуссии давно наметился  радикальный поворот. Физики пытаются определить минимальное число констант, описывающих мир. 

Так, по мнению известного российского физика Льва Окуня, теоретически достаточно трех фундаментальных констант — скорости распространения света в вакууме (с), гравитационной постоянной (G) и постоянной Планка (h). "Три фундаментальные константы — это единственно возможный базис, пригодный для описания основ физики. Все свыше этого было бы лишним". 

Еще в 1874 году английский физик Джордж Стони предложил "троицу физических первосущностей": скорость распространения света в вакууме (с), гравитационную постоянную (G) и элементарный электрический заряд (е), существование которого он предположил незадолго до того (то есть заряд электрона. — А.Г.).

  В 1899 году Макс Планк заменил в этой троице заряд электрона квантом действия (h), за которым закрепилось название "постоянной Планка", — основным параметром квантовой физики. Он помогает вычислить "длину Планка", "время Планка" и "массу Планка", а значит определить три основополагающих физических характеристики — длину, время и массу. Однако три "первосущности" — не предел. Сам Планк мечтал о теории, в которой найдется место одной-единственной константе, а все остальные станут производными от нее. Итальянский физик Габриель Венециано, внесший немалый вклад в развитие теории струн, намерен обойтись двумя константами: скоростью света и новой, пока еще спорной константой — длиной струны (ls). Последняя играет важнейшую роль в теории струн, согласно которой все элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия определяются вибрацией неких микроскопически крохотных струн. Постоянная Планка, как и гравитационная постоянная, — лишь производные от длины струны. 

Майкл Дафф из Мичиганского центра теоретической физики поступил еще радикальнее — упразднил  все физические константы, считая их "произвольными конструкциями, плодом наших умствований". Упомянутая выше троица базовых констант (G, с, h), по его мнению, лишь трансформирует одни размерности в другие. (Скорость света преобразует энергию в массу (E = mc2), h — энергию в частоту (Е = hv), a G посредством радиуса Шварцшильда — массу в длину (R = 2GM/c2). Ученым же следует поискать некие мерила, "подлинно существующие в природе", пишет Дафф, например, характеристики черных дыр.

Слово «постоянная» в  физике употребляется в двояком  смысле:

а) численное значение некоторой величины вообще не зависит от каких-либо внешних параметров и не меняется со временем,

б) 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 еще в классической физике в XVII в., но тогда она не играла фундаментальной роли. Фундаментальный статус скорость света приобрела после создания Дж.К. Максвеллом электродинамики и специальной теории относительности А. Эйнштейном (1905). После создания квантовой механики (1926) фундаментальный статус приобрела постоянная Планка h, введенная М. Планком в 1899 г. Постоянная Планка  h определяет минимальное изменение физической величины, называемой действием, и играет фундаментальную роль в физике микромира.

 К фундаментальным  постоянным также ряд учёных  относит гравитационную постоянную G является количественной характеристикой универсального, присущего всем объектам Вселенной взаимодействия - тяготения.  Постоянную Больцмана  k, элементарный заряд e - минимально возможное значение электрического заряда, существующего в природе в  свободном состоянии (обладающие дробными электрическими зарядами кварки, по-видимому, в свободном состоянии существуют лишь в сверхплотной и горячей  кварк-глюонной плазме) и космологическую константу. Фундаментальные физические постоянные являются естественными масштабами физических величин, переход к ним в качестве единиц измерения лежит в основе построения естественной (планковской) систем 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 должны каким-то пока неизвестным образом выводиться из более фундаментального масштаба массы (энергии) — т. н. вакуумного среднего поля Хиггса.

Константой некоторой  теории мы называем значение, которое  в рамках этой теории считается всегда неизменным. Наличие констант при выражениях многих законов природы отражает относительную неизменность тех или иных сторон реальной действительности, проявляющуюся в наличии закономерностей.

Сами фундаментальные  постоянные G, c, e, h являются едиными  для всех участков Вселенной и с течением времени не меняются (об этом говорят наблюдения и стандартная теория), по этой причине их называют мировыми постоянными. Некоторые комбинации мировых постоянных определяют нечто важное в структуре объектов природы, а также формируют характер некоторых  фундаментальных теорий.

Анализ размерностей фундаментальных постоянных приводит к новому пониманию проблемы в  целом. Отдельные размерные фундаментальные  постоянные, играют определяющую роль в структуре соответствующих  физических теорий. Когда же речь идет о выработке единого теоретического описания всех физических процессов, формирования единой научной картины мира, размерные физические постоянные уступают место безразмерным фундаментальным константам, таким, как ,  ,  ,  , m_e / m_p и (m_n - m_p)/ m_N . Роль этих постоянных в формировании структуры и свойств Вселенной очень велика. Постоянная тонкой структуры  a_e является количественной характеристикой одного из четырех  фундаментальных взаимодействий, существующих в природе, - электромагнитного. Помимо  электромагнитного взаимодействия фундаментальными взаимодействиями являются также гравитационное,  сильное и  слабое. Существование безразмерной константы электромагнитного взаимодействия  предполагает, очевидно, наличие аналогичных безразмерных констант, являющихся характеристиками остальных трех типов взаимодействий. Эти константы также характеризуются следующими безразмерными фундаментальными постоянными:

константа сильного взаимодействия ;

константа слабого взаимодействия

где величина  Дж  м3 - постоянная Ферми для слабых взаимодействий;

константа гравитационного  взаимодействия

Числовые значения констант ,  ,  и  определяют относительную силу этих взаимодействий. Так, электромагнитное взаимодействие примерно в 137 раз слабее сильного. Константы взаимодействия определяют также, насколько быстро идут превращения одних частиц в другие в различных процессах. Константа электромагнитного взаимодействия описывает превращения любых заряженных частиц в те же частицы, но с изменением  состояния движения плюс фотон.  Константа сильного взаимодействия является количественной характеристикой взаимных превращений барионов с участием  мезонов. Константа слабого взаимодействия   определяет интенсивность превращений элементарных частиц в процессах с участием  нейтрино и  антинейтрино.