Фундаментальные физические постоянные

Шаблон:Другие значения термина Фундамента́льные физи́ческие постоя́нные (физические постоянные, физические константы, фундаментальные постоянные, мировые постоянные) — постоянные величины, входящие в уравнения, описывающие физические законы природы и свойства материи. Фундаментальные физические постоянные возникают в теоретических моделях наблюдаемых явлений в виде универсальных коэффициентов в соответствующих математических выражениях.

Обзор

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.

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 Шаблон:Math, введённая М. Планком в 1901 г. как размерный коэффициент в законе теплового излучения. К фундаментальным постоянным также ряд учёных относит гравитационную постоянную Шаблон:Math, постоянную Больцмана Шаблон:Math, элементарный заряд Шаблон:Math (или постоянную тонкой структуры Шаблон:Math) и космологическую постоянную Шаблон:Math. 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 Рабочей группой CODATA по фундаментальным постоянным.

Фундаментальные физические постоянные

Шаблон:Основной источник Здесь и далее приведены значения, рекомендованные CODATA на основании данных 2022 года.

Величина	Символ	Значение	Прим.
скорость света в вакууме	$c$	299 792 458 м·с−1 = 2,99792458Шаблон:E м·сШаблон:Sup	точно
гравитационная постоянная	$G$	6,674 30(15)Шаблон:E м3·кг−1·с−2
постоянная Планка (элементарный квант действия)	$h$	6,626 070 15Шаблон:E Дж·с	точно
постоянная Дирака (приведённая постоянная Планка)	$\hslash =h/2\pi$	1,054 571 817… Шаблон:E Дж·с
элементарный заряд	$e$	1,602 176 634Шаблон:E Кл	точно
постоянная Больцмана	$k$	1,380 649Шаблон:E Дж·К−1	точно

Планковские величины (размерные комбинации постоянных c, G, h, k)

Название	Символ	Значение
планковская масса	$m_p=(\hslash c/G{)}^{1/2}$	2,176 434(24)Шаблон:E кг
планковская длина	$l_p=(\hslash G/c^3{)}^{1/2}$	1,616 255(18)Шаблон:E м
планковское время	$t_p=(\hslash G/c^5{)}^{1/2}$	5,391 247(60)Шаблон:E с
планковская температура	$T_p=\frac{1}{k}(\hslash c^5/G{)}^{1/2}$	1,416 784(16) Шаблон:E К

Постоянные, связывающие разные системы единиц, и переводные множители

Название	Символ	Значение	Прим.
постоянная тонкой структуры	$\alpha =e^2/4\pi {\epsilon }_0\hslash c$ (система СИ)	7,297 352 5643(11)Шаблон:E
	${\alpha }^{-1}$	137,035 999 177(21)
электрическая постоянная	${\epsilon }_0=1/({\mu }_0{c}^2)$	8,854 187 8188(14) Шаблон:E Ф·м−1
атомная единица массы	$m_u$ = 1 а. е. м.	1,660 539 068 92(52)Шаблон:E кг
	1 а. е. м.	1,492 418 087 68(46)Шаблон:E Дж = 931,494 103 72(29) МэВ
постоянная Авогадро	$N_A$	6,022 140 76Шаблон:E мольШаблон:Sup	точно
1 электронвольт	эВ	1,602 176 634Шаблон:E Дж = 1,602 176 634Шаблон:E эрг	точно
1 калория (международная)	1 кал	4,1868 Дж	точно
литр·атмосфера	1 л·атм	101,325 Дж
	2,30259 RT	5,706 кДж·мольШаблон:Sup (при 298 К)
	1 кДж·мольШаблон:Sup	83,593 смШаблон:Sup

Электромагнитные постоянные

Нижеследующие 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	${\mu }_0=1/({\epsilon }_0{c}^2)$	1,256 637 061 27(20) Шаблон:E Гн·м−1 = 1,256 637 061 27(20) Шаблон:E Н·А−2 (через основные единицы СИ: кг·м·с−2·А−2)	ранее точно $4\pi \times 10^{-7}$ Гн/м
волновое сопротивление вакуума	$Z_0={\mu }_{0}c=\frac{1}{{\epsilon }_{0}c}$	$\approx 376.73$ Ом.
электрическая постоянная	${\epsilon }_0=1/({\mu }_0{c}^2)$	8,854 187 8188(14) Шаблон:E Ф·м−1 (через основные единицы СИ: кг−1·м−3·с4·А2)
постоянная Кулона	$k=\frac{1}{4\pi {\epsilon }_0}$	≈ 8,987 55 Шаблон:E Ф−1·м (через основные единицы: кг·м3·с−4·А−2)

Некоторые другие физические постоянные

Название	Символ	Значение	Прим.
Массы элементарных частиц: масса электрона	$m_e$	9,109 383 7139(28)Шаблон:E кг (абсол.) = 0,0005485799090441(97) а. е. м. (относит.)
масса протона	$m_p$	1,672 621 925 95(52)Шаблон:E кг = 1,0072764665789(83) а. е. м.
масса нейтрона	$m_n$	1,674 927 500 56(85)Шаблон:E кг = 1,008 664 916 06(40) а. е. м.
Шаблон:Abbr протон плюс электрон (абсолютная масса атома водорода [[Протий|Шаблон:SupH]])	$m_{p+e}$	≈ 1,673 5328Шаблон:E кг = 1,007825 а.е.м. (относит.)
магнитный момент электрона	${\mu }_e$	−928,476 469 17(29)Шаблон:E Дж·Тл−1
магнитный момент протона	${\mu }_p$	1,410 606 795 45(60)Шаблон:E Дж·Тл−1
магнетон Бора	${\mu }_B=e\hslash /2m_e$	927,401 006 57(29)Шаблон:E Дж·Тл−1
ядерный магнетон	${\mu }_N$	5,050 783 7393(16)Шаблон:E Дж·Тл−1
g-фактор свободного электрона	$g_e=2{\mu }_e/{\mu }_B$	2,002 319 304 360 92(36)
гиромагнитное отношение протона	${\gamma }_p=2{\mu }_p/\hslash$	2,675 221 8708(11)Шаблон:E с−1·Тл−1
постоянная Фарадея	$F=N_{A}e$	96 485,332 12… Кл·моль−1
универсальная газовая постоянная	$R=k{N}_A$	8,314 462 618… Дж·К−1·моль−1 ≈ 0,082057 л·атм·КШаблон:Sup·мольШаблон:Sup
молярный объём идеального газа (при 273,15 К, 101,325 кПа)	$V_m$	22,413 969 54… Шаблон:E м³·моль−1
стандартное атмосферное давление (н.у.)	атм	101 325 Па	точно
боровский радиус	$a_0=\alpha /(4\pi R_{\mathrm{\infty }})$	0,529 177 210 544(82)Шаблон:E м
энергия Хартри	$E_h=2R_{\mathrm{\infty }}hc$	4,359 744 722 2060(48)Шаблон:E Дж
постоянная Ридберга	$R_{\mathrm{\infty }}={\alpha }^2{m}_{e}c/2h$	10 973 731,568 157(12) м−1
первая радиационная постоянная	$c_1=2\pi h{c}^2$	3,741 771 852… Шаблон:E Вт·м²
вторая радиационная постоянная	$c_2=hc/k$	1,438 776 877… Шаблон:E м·К
постоянная Стефана-Больцмана	$\sigma =({\pi }^2/60)k^4/{\hslash }^3{c}^2$	5,670 374 419… Шаблон:E Вт·м−2·К−4
постоянная Вина	$b=c_2/4,965114231...$	2,897 771 955… Шаблон:Eм·К
стандартное ускорение свободного падения на поверхности Земли	$g_n$	9,806 65 м·с−2	точно
Температура тройной точки воды	$T_0$	273,16 K

См. также

• Астрономические постоянные

Ссылки

• Fundamental Physical Constants — Complete ListingШаблон:Ref-en.
• 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.