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.