基本物理常數

基本物理常數

基本物理常數（fundamental constants of physics）是物理領域的一些普適常數。這些常數的準確數值，由於從理論上說與測量地點、測量時間及所用的測量儀器及材料均無關聯，因此稱為基本物理常數。

基本物理常數的發現和測量，在物理學的發展中起了很大的作用。縱觀物理學史可以看到，一些重大的物理理論常常與基本物理常數的發現或準確測定有著密切的聯繫。如在經典理論或定律中的基本物理常數有：牛頓引力常數、法拉第常數、阿伏伽德羅常數等，它們與經典巨觀理論密切相關；當物理學從巨觀世界的研究步入微觀世界的探索時，仍然離不開基本物理常數。量子理論的建立開闢了微觀物理的新紀元，普朗克常數伴隨問世。隨著對原子和分子光譜的研究，出現了精細結構常數和里德伯常數。愛因斯坦相對論的出現，伴隨著一個十分重要的基本物理常數，即真空中的光速。光速不變原理是狹義相對論的兩個基本原理之一。在量子理論和相對論建立的過程中，所確立的基本物理常數的數目已遠大於原來經典物理中出現的常數。這充分說明，在微觀和近代物理學中，基本物理常數具有更加重要的作用。

基本介紹

  • 中文名：基本物理常數
  • 外文名：fundamental constants of physics
  • 簡介：物理領域的一些普適常數
  • 內容：原子物理學中常用的一些常數
  • 學科：物理
  • 領域：物理
基本概念,定義單位基準,單位新基準,空間尺度,基本物理常數簡表,

基本概念

基本物理常數是物理領域的一些普適常數，主要是指原子物理學中常用的一些常數。最基本的有真空中光速с，普朗克常數h、基本電荷e、電子靜止質量me和阿伏伽德羅常數NA等。基本物理常數共有30多個，加上其組合量則有40—50個，它們之間有著深刻的聯繫，並不是彼此獨立的。例如，電子的發現是通過對電子的荷質比e/m的測定獲得的；M.普朗克建立量子論的同時，發現了普朗克常數等。由此可見，基本物理常數出現於許多不同的物理現象之中，每一種物理現象的規律都同一種確定的常數有關。
物理學是一門實驗科學，它的理論和定律是建立在實驗測量的基礎上的。物理定律中各個物理量之間的關係，需要對每個物理量進行準確的測量。為此，物理學建立了嚴密的單位制體系，其中包括基本單位和導出單位。基本單位有嚴格的定義、科學的復現方法，並且在國際上可以進行彼此間的國際比對。上述物理量單位的定義、研究、保持、復現和比對均由各國的計量研究機構承擔，以保證物理量的精密測量在國際範圍內的統一。基本常數與微觀粒子有密切的關係。如基本電荷(e)、電子和質子的質量(me和mp)、里德伯常數(R∞)和精細結構常數(α)等，它們在基本常數的有關方程中是相互關聯的。

定義單位基準

從1875年米制公約的建立到1960年採用國際單位制前的近一個世紀的發展中，基本單位的定義和復現是以經典物理學為基礎的。如一桿鉑銥合金米尺和一個鉑銥合金砝碼定義了長度單位米和質量單位千克，用地球繞太陽的公轉周期定義了時間單位秒，用通電導線之間的作用力定義電流單位安培等。這個時期是用巨觀實物或巨觀物理現象當作“不變數”來定義基本單位的。
物理學發展到今天，形成了許多分支，如固體物理學、原子物理學、原子核物理學、粒子物理學、天體物理學等等，包括大至宇宙、小至基本粒子的廣闊領域。但是物理學的這些分支都是用統一的物理理論結合在一起的，這些基本理論有經典電動力學、相對論（見狹義相對論、廣義相對論）、統計力學（見統計物理學）、量子力學等。這些理論的定量預言的準確程度，依賴於在理論中出現的基本物理常數值的準確性。特別重要的是，仔細研究由物理學不同領域的實驗所確定的這些常數值，能逐個考察物理學一些基本理論的一致性和正確性。由於套用了高穩定雷射、約瑟夫森效應、X射線干涉術、量子霍耳效應等許多新方法，使基本物理常數測量的準確度有所提高，很多常數的測量準確度已達10－6量級，更高的可達10－8—10－10量級。常數的準確值增加一位，就會有可能發現物理學中前所未知的矛盾，或獲得解決今天所存在的某個矛盾的線索。
基本物理常數的重要性還表現在定義計量單位從而建立計量基準的工作上。普朗克早在1906年就建議用基本常數來定義計量基本單位，由於當時常數的測量準確度還很低，這個願望不能實現。20世紀60年代以來，隨著常數值的準確度不斷提高，上述建議就有了現實意義。如由於可同時準確測量高穩定雷射波長λ和頻率v，就能夠通過с=λv來準確定出真空中的光速с，長度單位可以通過時間單位（頻率的倒數）和光速с導出；與此類似，通過公式v=γpB（式中γp為質子回磁比）可以由頻率通過γp導出磁感應強度B，從而確定電流單位；在交流約瑟夫森效應中，由於v=(2e/h)·V，即可由頻率單位通過2e/h的SI制的值來確定電壓單位V；等等。可以看到，現在計量基準的發展趨勢就是利用目前準確度最高的頻率單位，通過有關的基本物理常數來定義其他的基本或導出單位。因此，未來的基本單位的定義和準確度在一定程度上依賴於基本物理常數的測定值和準確度。
在常數的數據處理中，多年來國際上一直採用最小二乘法平差來得出常數的一組最佳值。用這種方法可儘量減少常數最佳值的偶然誤差，但並不能消除測量中的系統誤差。
基本常數的平差是1929年R.伯奇首先進行的，他的工作一直繼續到1945年。後來三次平差是J.杜蒙和E.科恩進行的。1969年，B.泰勒等人根據交流約瑟夫森效應測量的e/h值以及其他有關常數值，結合量子電動力學的理論研究，作出了新的平差。
70年代以來，基本常數的平差工作，是在國際科學協會科學技術數據委員會（簡稱CODATA）的基本常數工作組的直接主持下進行的。有 7個國家的專家參加了這項工作，由科恩和泰勒根據各國積累的實驗數據具體分析編纂而得。1973年他們曾正式發表了一組國際推薦的基本常數表，稱為1973年平差。
由於基本常數領域中工作的不斷進展，常數數值也會不斷更新，因此在大約十年左右將進行一次基本常數的新的平差，由此獲得新的國際推薦值。1986年完成了一次平差。它是由CODATA基本常數任務組的泰勒和科恩負責編纂的。與1973年常數平差的國際推薦值相比，1986年平差的國際推薦值的不確定度有了明顯的減小。大多數常數的不確定度減小一個量級。
根據天文和地球物理的觀測資料，一些物理學家提出了基本物理常數可能隨時間變化的理論推測。這些推測可能有助於推動物理學家和計量學家去對基本物理常數進行更精密的實驗測量。但迄今為止，上述理論推測的論點還是不充分的，實驗上也沒有能夠證實基本物理常數有隨時間的變化。

單位新基準

在研究原子物理學和量子力學的規律時，發現量子效應比巨觀現象具有更好的不變性。如電子在原子中運動，當它受到外界作用時，其能量發生的變化是不連續的，只能在允許的能級之間躍遷。躍遷的能量變化ΔE=hν，式中h是一個恆定不變的量，稱為普朗克常數。在特定條件下的許多躍遷，其輻射頻率（ν）是非常穩定並具有很高復現性的不變數，十分適合用來定義計量單位和作為基準使用。雷射頻標就是利用非常穩定的離子（或原子和分子）的躍遷頻率來復現長度單位米，並作為實用的長度基準或光頻標準。銫-133原子的超精細結構分量之間的躍遷的頻率現已用於定義時間單位秒，其頻率復現性已達10－15量級；雷射頻率測量的準確度也已達到10－14量級。因此，頻率是當今人類測量中最準確的物理量。
可與頻率媲美的不變數就是基本物理常數。由於它們的數值不隨地點和時間而異，即在世界各地及宇宙空間內可以普遍適用。如真空中光速c是一個基本物理常數，無論是普照大地的太陽之光，來自遙遠銀河的恆星之光，或是萬家燈火的電光，若隱若顯的螢火之光，其光速是同樣的數值。基本物理常數的不變性反映了自然界的一種規律性。許多物理理論和定律中都含有重要的基本物理常數，如相對論的公式中含有真空中光速c，量子力學的許多公式中含有普朗克常數h，引力定律中含有引力常數G等。
基本物理常數有很好的恆定性使其可以用於定義基本單位。長度和電單位已採用基本物理常數來重新定義或復現。隨著科學技術的迅速發展，將來會有更多的基本單位採用這種方法來重新定義或復現，即用相應的確定頻率和基本物理常數作為不變數來定義和復現基本單位。
物理學家和計量學家的目標是不斷探索新的更完善的不變數作為基本單位的定義。不變數越是恆定，才能覺察和探索自然界任何細微變化的規律。
國際科技數據委員會（CODATA）2006年推薦的平差的基本物理常數值包括了20個基本物理常數和兩個轉換因子。

空間尺度

宇宙範圍極限：1.00×1027m
超星系團：1.00×1025m
基本物理常數基本物理常數
銀河系半徑：7.6×1022m
光年的距離：1.00×1016m
太陽半徑：7×108m
地球半徑：6×106m
人類平均身高：1.5m
人類紅細胞直徑：1.00×10－5m
細菌線度：1.00×10－8m
原子線度：1.00×10－9m
原子核線度：1.00×10－14m
基本粒子線度：1.00×10－16m

基本物理常數簡表

物理量
符號
數值
單位
相對標準
不確定度
真空中光速
c
299792458
m/s
精確
牛頓引力常數
G
6.67428×10－11
m3/(Kg·s2)
1.0×10－4
阿伏加德羅常數
NA
6.02214179×1023
mol－1
5.0×10－8
普適摩爾氣體常數
R
8.314472
J/(mol·K)
1.7×10－6
玻爾茲曼常數R/NA
k
1.3806504×10－23
J/K
1.7×10－6
理想氣體摩爾體積
Vm
22.413996×10－3
m3/mol
1.7×10－6
基本電荷（元電荷）
e
1.602176487×10－19
C
2.5×10－8
原子質量常數
mu
1.660538782×10－27
Kg
5.0×10－8
電子質量
me
9.10938215×10－31
Kg
5.0×10－8
電子荷質比
－e/me
－1.758820150×1011
C/Kg
2.5×10－8
質子質量
mp
1.672621637×10－27
Kg
5.0×10－8
中子質量
mn
1.674927211×10－27
Kg
5.0×10－8
法拉第常數NAe
F
9.64853399×104
C/mol
2.5×10－8
真空電容率（電常數）
ε0
8.854187817×10－12
F/m
精確
真空磁導率（磁常數）
μ0
1.2566370614×10－6
H/m
精確
電子磁矩
μe
－9.28476377×10－24
J/T
2.5×10－8
質子磁矩
μp
1.410606662×10－26
J/T
2.6×10－8
玻爾半徑
α0
5.2917720859×10－11
m
6.8×10－10
玻爾磁子
μB
9.27400915×10－24
J/T
2.5×10－8
核磁子
μN
5.05078324×10－27
J/T
2.5×10－8
普朗克常數
h
6.62606896×10－34
J·s
5.0×10－8
精細結構常數
α
7.2973525376×10－3
6.8×10－10
里德伯常數
R∞
1.0973731568527×107
m－1
6.6×10－12
康普頓波長h/mec
λc　
2.4263102175×10－12
m
1.4×10－9
質子-電子質量比
mp/me
1836.15267247
4.3×10－10
靜電力常量
k
9.0×109
N·m^2/C^2
精確

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