Фундаментальные константы в физике и методика их измерения

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