Фундаментальные константы в физике и методика их измерения

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

"Шуйский государственный  педагогический университет"

Кафедра математики, физики и методики обучения

РЕФЕРАТ

На тему: «Фундаментальные константы в физике и методика их измерения »

                                            Выполнила:

Студентка 3 курса 4 группы ТФ

                                                   Хафизова Регина

                                         Проверил:

                                                                     Еремин Сергей Викторович

Шуя 2011 

Введение.

Фундментальные 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 класической физики, не содержащих постоянных, которые имели фундаментальный статус, к современной физике, в которой центральную роль  играют фундаментальные постоянные.

В классической  физике физические постоянные появились в связи  с установлением  специфических  свойств материальных объектов (плотности  тел,   скорости звука, света и  т.д.), а также с открытием законов  сохранения (гелиоцентрическая и  гауссова постоянные в небесной механике), 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 такие  физические постоянные, как скорость света и постоянная Планка,  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.

Итак главной ролью  фундаментальных постоянных в теоретической  физике, прежде всего стало  взаимоотношение между основными физическими теориями, которое регулируется принципом соответствия.

Принцип соответствия.

Согласно принципу соответствия физические теории не сменяют

полностью одна другую в  ходе развития физики; напротив, историческое

развитие физики заключается  в переходе ко все более общим  теориям, а

первоначально развитые теории сохраняют свою ценность в качестве

предельных случаев этих общих теорий. Таково взаимоотношение  между

классической, ньютоновской, механикой (НМ) и релятивистской

механикой (РМ), классической термодинамикой и релятивистской,

классической механикой  и квантовой (КМ), квантовой и релятивистской

квантовой теорией (РКТ), ньютоновской теорией тяготения (НТТ) и

релятивистскими теориями гравитации (РТГ), в том числе общей теорией

относительности (ОТО).

Соотношение между классическими и неклассическими

(релятивистскими, квантовыми) теориями устанавливается с помощью

предельного перехода по той  или иной фундаментальной постоянной. Под

предельным переходом  по какой-либо фундаментальной постоянной

понимается переход по безразмерному отношению некой  размерной

физической величины к  соответствующей размерной физической

постоянной (например, скорости тела v как скорости света c или действия S к

постоянной Планка h). При этой операции основные законы и понятия

более общей теории переходят  в соответствующие законы и понятия

первоначально развитой частной  теории. Таким образом,

фундаментальные постоянные определяют границы применимости этих

более частных теорий.

 Обычно принцип соответствия  связывается с именем Н. Бора, а

именно с его работами по квантовой теории. На самом деле идея

соответствия новых законов  с установленными ранее и имеющими

хорошее эмпирическое обоснование  законами неявно использовалась уже

с момента зарождения физики в XVII в. Например, И. Ньютон при

построении теории тяготения  понимал, что из его теории должны

следовать эмпирические законы Кеплера, а Дж.К. Максвелл ― что из его

электродинамики должны следовать  законы Кулона и Ампера. Причем из

ньютоновской теории тяготения следовал не собственно кеплеровский

закон, являющийся чисто  кинематическим, а модифицированный закон

Кеплера.

С точки зрения развития физических теорий, подчиняющихся

принципу соответствия, эволюция физики идет от частных ко все более

общим теориям, и окончательный  итог большинство ученых видит в

построении единой теории, которая описывала бы все наблюдаемые

явления – "теории всего".

Классы физических постоянных.

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.

Все физические постоянные можно разделить на три разных класса по способу обоснования их значений. Размерные постоянные (скорость света, постоянная Планка, гравитационная постоянная, массы частиц и т. д.) по способу их обоснования также можно разделить на два класса В и С (см. рис. 1). Класс С составляют метрологически независимые физические    постоянные, число которых необходимо и достаточно для полного  эталонирования единиц всех физических величин. Под метрологической независимостью понимается то, что из этих постоянных нельзя  составить ни одну комбинацию, которая давала бы безразмерную  постоянную (т.е. какую-либо постоянную класса А). Класс В составляют все оставшиеся размерные постоянные. Нетрудно понять, что  обоснование численных значений постоянных класса С принципиально  невозможно, так как эти значения в силу метрологической независимости этих постоянных конвенциональны, т. е. определяются не Природой, а выбором человеком основных единиц измерения.

Первый класс (А)  составляют безразмерные постоянные (постоянная тонкой структуры, отношения масс частиц и др.). Численные значения безразмерных постоянных не зависят от систем единиц и определяются самой  Природой, они должны так или иначе следовать из всеобъемлющей  физической теории. Как правило, безразмерные постоянные появляются в качестве эмпирических параметров, а затем находят свое объяснение при развитии физической теории. Любая теория, которая претендует на их объяснение, должна, очевидно, стремиться к минимизации числа такого рода параметров. Единая физическая теория должна стремиться к идеалу — полному объяснению всех безразмерных постоянных путем их редукции к математическим постоянным.

Размерные постоянные (скорость света, постоянная Планка,  гравитационная постоянная, массы частиц и т. д.) по способу их обоснования также  можно разделить на два класса В и С. Класс С составляют метрологически независимые физические  постоянные, число которых необходимо и достаточно для полного эталонирования единиц всех физических величин. Под метрологической независимостью понимается то, что из этих постоянных нельзя  составить ни одну комбинацию, которая давала бы безразмерную  постоянную (т.е. какую-либо постоянную класса А). Класс В составляют все оставшиеся размерные постоянные. Нетрудно понять, что обоснование численных значений постоянных класса С принципиально невозможно, так как эти значения в силу метрологической независимости этих постоянных конвенциональны, т. е. определяются не Природой, а выбором человеком основных единиц измерения. Таким образом, мы будем придерживаться следующего определения: фундаментальные постоянные это метрологически независимые постоянные, число которых необходимо и достаточно для полного эталонирования единиц всех физических величин.

Основные фундаментальные  постоянные.

Физические величины,

единицы и эталоны  единиц физических величин

Единицы физических величин  определяются неким официальным соглашением — системой СИ, однако система стандартов может и не отвечать системе единиц. Так, система СИ предполагает одну основную электромагнитную единицу, вводимую посредством фиксации магнитной постоянной . Формально это делается на основе закона Ампера. На самом деле с точки зрения системы СИ безразлично, какую именно электромагнитную единицу фиксировать и какой именно закон принять за основу (закон Кулона, Ампера или какой-либо другой) — все они эквивалентны.

Для построения системы эталонов важны два обстоятельства при выборе главных эталонов: это должны быть оптимальные эталоны как с точки зрения точности основной единицы, так и с точки зрения реализации размеров производных единиц. Практически удобно разделить стандарты на группы: длина - частота - время, масса, электромагнитные величины и т.д. В случае электромагнитных величин удобно взять за основу два эталона, например вольта и ома. Это создает избыточную систему. Поэтому параллельно с определением размеров единиц остальных электрических величин необходимо решить задачу о согласовании единиц механической мощности (выраженной через основные единицы как 1 Вт = 1 кг м² с ^—3) и электрической мощности (1 Вт = 1 В² Ом^—1). Мы вернемся к этому вопросу в разделе 4.2.

Из приведенного выше обсуждения видно, что имеются три связанные, но достаточно различные системы:

• система физических величин;
• система физических единиц;
• система эталонов физических единиц.

Эти системы могут иметь  и имеют разную структуру. В силу практических причин одна и та же в сущности физическая величина может в определенных условиях измеряться в разных единицах (к примеру, в кельвинах и джоулях). Разные величины (например, вес и масса) могут измеряться в одинаковых единицах. Иерархия эталонов не следует иерархии единиц.

Ситуация с эталонами  оказывается еще более сложной в связи с тем, что речь идет как о воспроизведении, так и о поддержании размера единиц. В случае поддержания размера единиц стандартом является устройство, предоставляющее некоторую единицу, которая не совпадает с единицей системы СИ и размер которой (в единицах СИ), строго говоря, неизвестен. Такая единица, позволяет проводить "локальные" измерения. Если эта единица основана на квантовых явлениях (что важно для измерений в области частоты - длины - времени, напряжения, сопротивления), то она естественна и, следовательно, универсальна во всем мире и не зависит от времени (в отличие от классических национальных единиц, основанных на артефактах).

Для получения (воспроизведения) единицы СИ необходимо правильно откалибровать поддерживаемую единицу. Если поддерживаемые единицы основаны на численных значениях фундаментальных констант, то независимое измерение их значений превращает поддержание в воспроизведение. Таким образом, появляется возможность реализовать одни и те же единицы СИ в разных лабораториях, т.е. обеспечить единство измерений без непосредственного сличения эталонов. Мы рассмотрим проблемы воспроизведения и поддержания единиц на примере электромагнитных величин.

В практической реализации системы СИ электромагнитные единицы занимают особое место. Можно, например, заметить, что с формальной (математической) точки зрения единица длины — это производная единица, а основными являются единицы времени (цезиевые часы) и скорости (в терминах скорости света в вакууме). Однако единицу скорости ни в коем случае не следует признавать основной, поскольку невозможно реализовать эталон такой единицы. Единица длины, напротив, лишена этого недостатка и может быть принята в качестве основной.

Все основные единицы СИ, кроме ампера, отвечают основным эталонам, на основе которых создаются по мере необходимости эталоны производных  единиц. Альтернатива любой из единиц практически отсутствует, поскольку эти единицы наиболее удобны (каждая в своей области). Ситуация с электромагнитными единицами качественно иная. Выбор основных эталонов диктуется целесообразностью, и его результаты могут быть разными в зависимости от развития технологии на данный период. Кроме того, ампер явно определен как единица электродинамики, описывающей физику полей, сил, взаимодействий и т.д. Между тем наиболее важные на практике (и наиболее точные) измерения относятся к электротехнике, изучающей электрические цепи.

Фактически определение  ампера — это не определение единицы, годное для воспроизведения, а определение значения магнитной постоянной М0, которое можно использовать для воспроизведения различных единиц самыми разными способами. Значительную часть электротехнических единиц (тока, напряжения, сопротивления, емкости и индуктивности) можно сравнительно легко поддерживать и сравнивать друг с другом. В электротехнике лишь выделяемая тепловая мощность связана напрямую с механическими единицами. Однако тепловые явления — не самая лучшая возможность для определения единиц энергии, мощности и т.д. Поэтому на практике национальные эталоны электромагнитных единиц создавались в некотором смысле независимо от определений системы СИ (в виде артефактов). Затем в ходе специальных экспериментов проводились перекрестные сравнения:

• между единицами одной размерности (например, между единицами вольта или ома в разных странах);
• между единицами разной размерности (например, между фарадом и омом);
• между национальными и международными единицами и единицами СИ.

Данная тенденция сохранилась  и до настоящего времени с той  поправкой, что сравнение национальных эталонов разных стран потеряло свою значимость в связи с использованием универсальных квантовых явлений. Не исключено, что в будущем будут приняты естественные размеры основных электрических единиц на базе макроскопических квантовых явлений (эффекта Джозефсона и квантового эффекта Холла). В этом случае заряд будет измеряться в единицах заряда электрона (с фиксированным нормировочным множителем) и появление коэффициента пропорциональности в законе Кулона неизбежно. В системе единиц с фиксированным значением заряда электрона e коэффициент пропорциональности в законе Кулона должен быть результатом измерений и не может быть фиксирован.

Приведенный пример — далеко не единственный случай, когда требования прозрачности физических уравнений  и точности измерений приходят в  столкновение. Другой пример — измерения  частоты, энергии и длины волны  излучения гамма-квантов. Традиционно результаты приводятся в энергетических единицах, хотя непосредственно измеряется длина волны. Энергия связи дейтрона имеет ясный физический смысл, однако непосредственно измеряется другая величина — минимальная частота фотона, приводящая к фотоионизации. Перевод этой частоты во внесистемную единицу энергии электрон-вольт увеличивает погрешность.

Аналогичная ситуация возникает  в прецизионной физике простых атомов (водород, мюоний, позитроний), когда вычисляются уровни энергии, а измеряются частоты переходов. Проблема решается в пользу точности: аналитические выражения приводятся для энергии, а численные значения — для соответствующей ей частоты. Это необходимо не только для сравнения с экспериментом, но и потому, что соответствующие нормированные факторы (например, масса электрона т_е) точнее известны не в единицах массы или энергии (т_ес²), а в единицах частоты (т_ес²/h).

Методика измерения  фундаментальных констант физики.

        При изучении физических констант обращает на себя внимание то, что их значения измерены с очень большой точностью. В ряде случаев она достигает восьми - десяти значащих цифр. Например,          элементарный          электрический          заряд е=1,60217733(49)*10^-19 Кл, а гравитационная постоянная G=6,670(15)* 10-11 H*м²*кг².

          Точность определения значений констант непрерывно возрастает, что само по себе является свидетельством развития и совершенства техники физического эксперимента. Прецизионные исследования по измерению и уточнению значений постоянных и тщательная работа по согласованию данных, полученных различными методами и различными группами исследователей, ведутся и в наши дни.

          Столь большая точность в определении значений постоянных на первый взгляд может показаться излишней. В учебниках и справочниках, как правило, приводятся округленные значения констант, которые мы и применяем в повседневной работе и пои решении задач. На самом деле вопрос о точности измерений вообще и фундаментальных постоянных, в особенности, стоит гораздо серьезнее и затрагивает самые основания физики как науки. Коротко обсудим три принципиальных вопроса:

1)   является ли физика  точной наукой и какова в ней роль измерений;

2)   в чем состоит  сущность измерений;

3)   измерения и эволюция  физики.

           Физические законы выражают в математической форме количественные связи между различными физическими величинами. Они устанавливаются на основе обобщения опытных, полученных экспериментальным путем, данных и отражают объективные закономерности, существующие в природе. Поэтому принципиально важным является то, что физические законы не являются абсолютно точными, их точность возрастает с развитием науки и техники. Но это отнюдь не умаляет объективного значения законов. На каждом данном этапе своего развития физика дает нам приближенный снимок с действительности. Со временем качество этих снимков - точность измерений - улучшается, и они все лучше и полнее отражают объективные свойства окружающего нас мира. Опыт, эксперимент, измерение играют в науке принципиально важную роль. Об этом предельно четко писал У. Томсон (лорд Кельвин): "Если вы можете измерять и выражать в числах то, о чем говорите, то об этом предмете вы кое-что знаете; если же вы не можете сделать этого, то ваши познания скудны и неудовлетворительны. Быть может, они представляют собой первый шаг исследования, но едва ли позволительно думать, что ваша мысль продвинулась до степени настоящего знания". Строго говоря, сама физика получила статус точной науки благодаря тому, что измерения позволяют устанавливать точные количественные соотношения, в которых находят отражение закономерности природы

          В чем же состоит сущность измерений в науке? Измерение какой-либо физической величины означает нахождение опытным путем отношения данной величины к единице измерения (эталону) величины подобного рода. Точность установления этих эталонов имеет, следовательно, принципиальное значение. Работа в этом направлении является постоянной и важнейшей задачей метрологических служб мира. По мере развития науки эталоны непрерывно совершенствуются и в раде случаев могут радикально меняться.

         Покажем это на примере основных единиц Международной системы (СИ). Единица длины - метр - первоначально (1790 г.) была определена как 10~7 часть 1/4 меридиональной окружности Земли. После триангуляционных измерений расстояния между Дюнкерком и Барселоной (около 1100 км) в 1799 г. в Париже был изготовлен прототип метра. Однако измерения, проведенные в 1837 г., показали, что эталон оказался короче метра на 0,2 мм. Такая низкая точность в измерении одной из основных единиц не могла удовлетворить ученых, и международное сообщество давно изыскивало способы установления более точного и воспроизводимого эталона метра.

            Развитие физики, совершенствование техники эксперимента позволили реализовать эту идею. С 1960 г. за 1 метр принимается величина, равная 1650763,7300 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р1 и 5р5 атома криптона с массовым числом 86. Криптоновые лампы, с помощью которых получают такое излучение, непрерывно охлаждаются жидким азотом. Давление криптона в лампах низкое, измерения эталона метра ведутся интерференционными методами с относительной погрешностью (2/З)*10^-9. Измерения, проведенные в 1964 — 1967 гг., показали, что эталон метра 1790 г. равен в действительности 1,00019545 м.

  Работа по улучшению и уточнению эталона метра продолжается. Выдвигаются и более радикальные способы. Поскольку погрешность в измерении скорости света очень мала, было предложено вообще отказаться от использования стандарта длины и определить вместо этого скорость света с как мировую постоянную. В октябре 1983 г. XVII Генеральная конференция мер и весов приняла новое определение метра, основанное на константе скорости света: метр - это расстояние, проходимое в вакууме плоской электромагнитной волной за 1/299792458 долю секунды.

             Во многом схожая ситуация имела место с определением единицы времени. Принятое в 1956 г. Международным комитетом мер и весов определение эфемеридной секунды гласило, что 1 секунда равна 1/31556925,9747 длительности тропического года (тропический год равен числу солнечных средних суток, прошедших от одного весеннего равноденствия до другого). Это определение секунды создавало немалые трудности, поскольку продолжительность тропического года больше, чем 365 дней, приблизительно на 1/4 суток. Чтобы правильно учитывать это, каждые четыре года в календаре появляется високосный год, а для уточнения десятичных знаков первый год столетия не считается високосным.

         Но и этих «мер спасения» оказывается недостаточно, чтобы связать концы с концами, и 1972 год был специально увеличен на 2 с. По одной секунде добавили также 1 января 1973 и 1974 г. Наконец, в 1967 г. был принят более точный атомный стандарт времени: секунда - это продолжительность 9,192631770*10⁹ колебаний излучения при квантовом переходе между линиями сверхтонкой структуры атома цезия с массовым числом 133.

            Эти два примера показывают, что введенные первоначально только из соображений практического удобства эталоны метра и секунды, по мере повышения требований к точности, оказались чрезвычайно уязвимыми, что привело к необходимости разработки новых атомных стандартов длины и времени.

              К сожалению, до сих пор значительно хуже обстоят дела при определении единицы массы. Масса — это единственная основная единица, прототип которой был выбран абсолютно произвольно. Эталон 1 кг массы представляет собой находящийся в Международном бюро мер и весов в Севре под Парижем цилиндр из сплава платины (90%) и иридия (10%) диаметром около 39 мм и такой же высоты. Отдельные страны располагают копиями такого эталона, причем относительная погрешность воспроизведения копий составляет около 2,5*10^-9.

          Точность определения атомных масс пока ниже, что и обусловливает отсутствие атомного стандарта массы.

          Значения физических постоянных, измеренные по отношению к эталонным данным, представляют собой точность наших знаний фундаментальных свойств материи. С одной стороны, очень часто проверка справедливости физических теорий определяется точностью измерения постоянных. С другой стороны, твердо установленные экспериментальные данные кладутся в фундамент новых физических теорий. Классическим примером этого является теория относительности А. Эйнштейна, одним из постулатов которой является установленный в экспериментах А. Майкельсона факт постоянства скорости света.

           История физики показывает, что точные опыты, измерения приводят к открытию новых физических явлений, новых физических постоянных. Так, эксперименты Дж. Томсона (1897) по отклонению катодных лучей в электрическом и магнитном полях привели к открытию им первой элементарной частицы— электрона. В физике появились две новые фундаментальные постоянные — элементарный электрический заряд е и масса электрона те.

              Эти же данные разрушили бытовавшее еще со времен Древней Греции представление о том, что атомы представляют собой мельчайшие, не делимые далее структурные единицы материи.

                Постоянная Планка и обязана своим рождением точным измерениям распределения энергии в спектре черного тела и теоретическому осмыслению полученных результатов М. Планком. Ее появление ознаменовало собой начало новой физики— физики микромира, физики XX столетия.

              Точные измерения атомных масс легких ядер позволили понять механизм термоядерных реакций, протекающих на Солнце и дающих энергию всему живущему на Земле. Открытие эффекта. Джозефсона в квантовой физике позволило провести новые прецизионные измерения постоянной Планка, в результате чего ее значение возросло на 88*10^-6 Дж^-с.

             Одновременно с этим были уточнены значения и других констант. Отклонение значения магнитного момента электрона (л, от Боровского магнетона цв, рассчитанное теоретически с фантастической точностью - вплоть до одиннадцатого знака - согласуется с результатами экспериментальных измерений и является надежным доказательством справедливости теоретической модели физического вакуума.

          Приведенных примеров вполне достаточно, чтобы оценить принципиальное значение для науки точных измерений физических величин в научных исследованиях.

Заключение.

Фундаментальные физические  константы играют большую роль в  общей физической картине мира. Они  позволяют сделать наши  единицы  более  естественными и универсальными. Современные фундаментальные физические теории, такие как теория относительности и квантовая механика, рождение которых в известной мере связано с выявлением и анализом фундаментальных физических постоянных, пройдя этап синтеза в рамках релятивистских концепций, вновь возвращаются в теории струн к вопросам их методологического обоснования. Фундаментальные физические постоянные, такие как скорость света и постоянная Планка, являясь в рамках существующих физических концепций не подлежащими изменению основами теоретических и экспериментальных результатов, методологией естествознания переводятся в ранг гипотезы. Необходимость этого шага продиктована прежде всего необходимостью выявления их природы и закономерностей функционирования, а также постановкой естествознанием проблемы глобального синтеза теорий, описывающих процессы и явления, начиная с мира элементарных частиц и кончая рождением и эволюцией нашей Вселенной.

Список литературы.

1. Томилин К. А. Фундаментальные физические постоянные в

историческом и методологическом аспектах. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. —   368 с.-ISBN 5-9221-0728-3.

2. Фундаментальные физические константы: роль в физике и метрологии и рекомендованные значения. Статья С.Г. Каршенбойма
3. http://www.dissercat.com/content/fundamentalnye-postoyannye-v-sovremennom-poznanii-teoretiko-metodologicheskie-aspekty