Фундаментальные постоянные

 ВВЕДЕНИЕ

 

Фундаментальные физические постоянные - 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 постоянные 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 данном исследовании ставится задача исследования основных концептуальных моментов эволюции физики, связанных  с появлением и "фундаментализацией" физических постоянных. Первая глава посвящена истории четырех постоянных - скорости света с, постоянной Планка h, .элементарного заряда е и гравитационной постоянной G. 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 ф.ф.п. Вторая глава посвящена исследованию терминологии, связанной с ф.ф.п. (фундаментальные, универсальные, абсолютные, естественные, мировые постоянные), анализу основных свойств ф.ф.п., которые фиксировались как различные определения ф.ф.п., анализу роли ф.ф.п. во взаимоотношении между физическими теориями, регулируемом принципом соответствия, и основанных на этом моделям развития теоретической физики, а также роли ф.ф.п. в развитии метрологии. Третья глава посвящена анализу различных исследовательских стратегий (программ) XX века, связанных с решением проблем ф.ф.п. и использованием свойств ф.ф.п. как метода развития физического знания — стратегии поиска других фундаментальных постоянных, равных по статусу таким постоянным, как скорость света и постоянная Планка, редукции одних размерных постоянных к другим, более фундаментальным, проблеме обоснования значений безразмерных фундаментальных постоянных и попыткам их редукции к математическим постоянным, проблеме "больших чисел" (т.е. мировых параметров, имеющих колоссальные значения) и различным подходам к ее решению, прежде всего — программе переменных (в зависимости от космологического времени) "констант", а также антропной программе.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Выделим основные историко-научные и научно-методические выводы.

Историко-научные  выводы:

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

2. Постоянная с 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).

3. 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.

4. 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.

5. 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.

Фундамента́льные физи́ческие постоя́нные (вар.: конста́нта) — постоянные, входящие в уравнения, описывающие фундаментальные законы природы и свойства материи.[1] 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: 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. как размерный коэффициент в законе теплового излучения. К фундаментальным постоянным также ряд учёных относит гравитационную постоянную G, постоянную Больцмана k, элементарный заряд e (или постоянную тонкой структуры ) и космологическую константу . 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 должны каким-то пока неизвестным образом выводиться из более фундаментального масштаба массы (энергии) — т. н. вакуумного среднего поля Хиггса.

 

 

 

ГРАВИТАЦИОННАЯ ПОСТОЯННАЯ

 

Изучение фундаментальных  физических постоянных естественно  начать исторически с первой константы - гравитационной G.Её ввёл в физику в 1687 г Исаак Ньютон, сформулировав в своих знаменитых «Математических началах натуральной философии» закон всемирного тяготения: два тела массами и , находящиеся друг от друга на расстоянии R, притягиваются с силой F, равной

                                     F=G .                                                                                  (1)

Входящий в (1) коэффициент  пропорциональности G был назван Ньютоном постоянной тяготения. Синонимом понятия является принятое сейчас название «гравитационная постоянная».

  Появление в науке  первой физической постоянной  неотделимо от исследования проблемы  тяготения, поэтому понимание  физической сущности гравитационной  постоянной невозможно без изучения  его свойств. Можно выделить  три этапа изучения тяготения.

Первый – это создание Ньютоном классической теории, фундаментом  которой является закон всемирного тяготения (1). Затем в ХХ в. А. Эйнштейн разработал новую теорию гравитации, известную под названием «общая теория относительности». В настоящее  время идёт третий этап исследования проблемы. Усилия учёных направлены на создание единой теории физических взаимодействий, но эти исследования далеки от завершения.

Первые  оценки и первые проблемы. Гравитационная постоянная G является количественной характеристикой универсального,  присущего всем объектам Вселенной взаимодействия- тяготения. Существенным является то, что она является одновременно и историей рождения первой фундаментальной постоянной.

Значение G допускает теоретическую оценку. Сила притяжения Землёй шара, имеющего массу m и находящегося на её поверхности, равна

F=G

Где - радиус Земли (= 6370 км). По второму закону динамики Ньютона

(mv)=F                                                                            (2)

Эта сила сообщит шару m ускорение а, равное

а=                                                                                     (3)

Ускорение а есть известное ещё со времён Галилея ускорение свободного падения :

≈9,8 м/,                                                                                                  (4)

поэтому          

G =≈ 6,6 .                                                    (5)

Эти оценки требуют комментария, поскольку их кажущаяся простота скрывает существование двух кардинальных физических проблем. Во-первых, выполняя переход от (2) к (3), мы предполагали, что масса шара не зависит от скорости его движения. Во-вторых, принципиальное значение имеет то, что массы тел, входящие в уравнения (1) и (2), характеризуют  совершенно различные свойства физических объектов.

Впервые измерение гравитационной постоянной в земных условиях выполнил английский учёный Г. Кавендиш в 1798 г., применив для этого крутильные весы. Угол закручивания φ нити весов определяется упругими свойствами нити и величиной гравитационного взаимодействия пробных масс m и М. В опытах Кавендиша использовались свинцовые шары m= 730 г и М=158 кг. Полученное им числовое значение гравитационной постоянной было равно  

 

G=≈ (6,6 ± 0,04) ,

что совпадает с приведённой  ранее теоретической оценкой.

Значение экспериментов  Кавендиша трудно переоценить. Они  доказали всеобщность закона тяготения  Ньютона, он стал поистине всемирным. Знание величины G позволило Кавендишу в том же 1798 г. Вычислить абсолютное значение массы Солнца и планет, среднюю плотность Земли. Последовали и другие открытия.

Результаты измерений  гравитационной постоянной, выполненные  в различное время и различными группами авторов, сведены в табл.1.       

Сравнение данных в табл.1 показывает   

 

ТАБЛИЦА

 

 

 

 

 Постоянная Авогадро

Постоянная Авогадро является разговором о строении вещества, и  история появления этой  константы  в физике раскрывает её физическую сущность.