Constanta fizica

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

O constantă fizică este o mărime fizică sau un număr adimensional, care este de natură universală și independent de momentul și locul în care este măsurată (constanta naturii) [1] . Spre deosebire de o constantă matematică (adimensională), o constantă dimensională poate fi oricând eliminată din ecuații, cu condiția să alegeți un sistem de unități naturale . Rămân multe constante dimensionale în ecuațiile fundamentale ale fizicii . Constantele sunt mărimi predominant dimensionate, deși există exemple de constante matematice , cum ar fi raportul dintre masa protonului și masa electronului sau constanta structurii fine . Ele sunt adesea legate de o interpretare a unui fenomen sau capătă o semnificație specifică în cadrul modelului teoretic care le definește.

Constantele dimensionale

Valoarea numerică a constantelor fizice dimensionale depinde de sistemul de unități utilizate, de exemplu Sistemul Internațional sau Sistemul CGS . Astfel de sisteme aleg în mod arbitrar ca unități mărimi care nu reprezintă măsura unui fenomen fizic universal valabil, ci mărimi care sunt „comparabile” cu cele ale experienței umane; în definiția unităților de măsură „umane” pe baza fenomenelor fizice universale, coeficienții arbitrari sunt introduși de om, cum ar fi de exemplu numărul 9192631770 în definiția al doilea , coeficienții care au scopul de a avea o „unitate gestionabilă de măsurare "" [2] .

Prin urmare, este evident că valorile numerice ale constantelor fizice exprimate în unități de măsură care au un element de arbitrar introdus de om , cum ar fi viteza luminii c exprimată în metri pe secundă (299792458), sunt doar valori Pe care teoriile le pot prezice fizicienii.

Folosind sisteme de măsurare bazate pe „standarde extraumane”, [3] precum unitățile naturale [4] sau cele propuse ulterior de Max Planck [5] , aceste constante nu apar.

Raporturile mărimilor fizice similare nu depind de sistemul de măsurare, deci sunt numere pure a căror valoare ar putea fi prezisă de o teorie fizică. În plus, toate ecuațiile care descriu legile fizice pot fi exprimate fără utilizarea constantelor fizice dimensionale, printr-un proces numit adimensionalitate și folosind numai constante adimensionale. Fizicienii teoretici tind să considere aceste cantități adimensionale drept constante fizice fundamentale . Cu toate acestea, expresia constantă fizică fundamentală este utilizată și în alte moduri. De exemplu, Institutul Național de Standarde și Tehnologie [1] îl folosește pentru a se referi la orice constantă universală despre care se crede că este constantă, cum ar fi viteza luminii .

Constanta de structură fină α este probabil cea mai cunoscută constantă fizică fundamentală adimensională . Nu se știe de ce își asumă propria valoare care a fost măsurată și este de aproximativ 1 / 137.035999. S-au făcut multe încercări de a obține această valoare din teorie, dar niciuna nu a avut succes. Același lucru este valabil și pentru raportul dintre masele particulelor fundamentale , cel mai simplu valorează aproximativ 1836,152673. Cu toate acestea, în secolul al XX-lea, odată cu dezvoltarea chimiei cuantice , un număr mare de constante adimensionale au fost prezise de teorii și, prin urmare, mulți fizicieni teoretici speră să poată explica valorile constantelor fizice adimensionale în viitor.

Dacă constantele fizice ar avea valori diferite, universul ar fi foarte diferit de modul în care îl observăm. De exemplu, o mică modificare de câteva puncte procentuale în valoarea constantei structurii fine ar fi suficientă pentru a elimina stelele precum Soarele. Acest lucru a condus la formularea principiului antropic ca explicație a valorii constantelor adimensionale.

Cât de constante sunt constantele fizice?

Unii oameni de știință au speculat că constantele fizice pot varia în funcție de vârsta universului . Niciun experiment științific nu a reușit să falsifice ipoteza constanței de-a lungul timpului, dar a fost posibil să se stabilească o limită superioară la variația maximă relativă, de exemplu aproximativ 10 -5 pe an pentru constanta structurii fine și 10-11 pentru constanta gravitației universale.

Paul Dirac în 1937 a emis ipoteza că „constanta” gravitației universale a fost invers proporțională cu vârsta universului [6] ; această ipoteză a fost dovedită a fi de încredere în 1948 de către Edward Teller , deoarece ar fi sugerat în trecut că Pământul era mult mai cald și că oceanele ar fi fiert până acum 200/300 milioane de ani, deci viața așa cum o știm nu ar fi au apărut. [7]

George Gamow a sugerat mai târziu că sarcina elementară a crescut proporțional cu rădăcina pătrată a epocii universului, dar chiar și această ipoteză a fost aruncată ca valoare a în trecut ar fi fost prea mic pentru a permite nașterea stelelor precum Soarele. [8]


Principiul antropic

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Principiul antropic .

Unii fizicieni au calculat că, dacă unele constante fizice ar fi ușor diferite, universul nostru ar fi radical diferit, astfel încât o formă de viață inteligentă similară cu a noastră probabil nu s-ar fi putut dezvolta. [9] Principiul antropic slab afirmă că numai datorită faptului că constantele fizice iau anumite valori este posibil să se dezvolte o viață inteligentă care este capabilă să observe natura și să obțină valorile constantelor.

De exemplu, pentru cele trei procese alfa , constantele care determină forța electromagnetică și forța nucleară trebuie să fie într-un coridor de variație redus, astfel încât abundența relativă de carbon și oxigen produsă în interiorul stelelor să nu fie total dezechilibrată de una sau de cealaltă parte. [10]

În ceea ce privește constantele fundamentale, principiul antropic se bazează mai ales pe un argument statistic pentru care este extrem de puțin probabil ca:

  • o variabilă continuă se încadrează în singurul interval de valori admisibile pe viață;
  • cade într-un interval care este infinit de mic, adică „centrează” valoarea necesară vieții cu precizie infinitesimală;
  • un astfel de eveniment improbabil se va repeta de cinci ori, pentru fiecare constantă fundamentală, deoarece aceste evenimente constante par a fi independente , nu legate de această zi printr-o relație fizică unificatoare.

Principiul antropic poate fi apoi extins la evoluția universului prin notarea numeroaselor pasaje biologice și chimice indispensabile vieții, care nu ar putea să se întâmple sau să apară în diferite secvențe și momente, astfel încât să compromită însăși aspectul formelor vii.

Acest număr de universuri posibile este infinit pentru cei care consideră o evoluție aleatorie; finit sau redus la limită la unul, pentru cei care se gândesc la un determinism predominant al legilor fizice. [ [[Ajutor: Claritate |]] ]

Teoria fizică nu deduce teoretic o valoare a acestor constante, nici un interval în care trebuie înțeleasă, nici a relațiilor cantitative dintre ele. Mai mult, nu s-a dovedit că acestea sunt cantități discrete, adică au un număr finit de valori admisibile, inclusiv cea măsurată în experimente. Probabilitatea ca o variabilă continuă să ia o valoare între infinitele posibile este statistic zero.

Întrebarea apare cu atât mai mult acest fapt apare pe un număr deloc neglijabil de constante fundamentale care par independente și cu o precizie infinitesimală a acestora. Probabilitatea ca multe constante independente (discrete, sau chiar mai multe, dacă sunt continue), să asume valoarea așteptată pentru viața inteligentă, este egală cu produsul lor și scade rapid la zero.

Unificarea forțelor fizicii speră să explice legile fizice deducându-le dintr-o singură lege fundamentală și, prin urmare, să reducă toate constantele la una. În acest fel, valoarea favorabilă pentru viață și precizia a mii de constante ar fi justificate cu un singur număr, fără „frecvența anormală” care este înregistrată în prezent.

Alți fizicieni postulează o teorie a universurilor infinite, guvernată de aceleași legi fizice ca universul nostru, dar cu valori diferite ale constantelor. Un număr infinit de universuri (finite) ar putea explora toate valorile admisibile ale constantelor fundamentale, iar cea în care trăim, să fie singura dintre multele favorabile vieții. Teoria admite implicit că există un grad de indeterminism în constantele fundamentale, care poate presupune un număr finit / infinit de valori admisibile.

Teoria universurilor infinite are o limită în postulatul simplității și uniformității științei newtoniene , deoarece pentru a explica un univers cu viață inteligentă, postulează existența altor realități infinite care nu au fost încă măsurate.

Tabelul constantelor fizice

Următoarele sunt denumiri și valori măsurate ale diferitelor constante fizice.

mărimea Simbol obișnuit Valoare unitate lege fizică în care apare adesea
Viteza luminii în vid c 299 792 458 m s −1 Ecuația lui Maxwell
Constanta dielectrică a vidului ε 0 8.854 187 817 ... × 10 −12 F m −1 Ecuația lui Maxwell
Permeabilitatea vidului μ 0 4π × 10 −7 T m A −1 Ecuația lui Maxwell
Constanta gravitațională universală G. 6,672 59 (85) × 10 −11 N m 2 kg −2 Legea gravitației
Constanta lui Planck h 6.626 070 15 × 10 −34 J s Efect fotoelectric
Încărcarea electronului Și 1.602 176 634 × 10 −19 C.
Masa de repaus a electronului m și 9.109 381 88 (72) × 10 −31 kg
Masa de repaus a protonului m p 1,672 621 58 (13) × 10 −27 kg
Masa de repaus a neutronului m n 1.674 927 16 (13) × 10 −27 kg
Unitatea de masă atomică 1 amu 1.660 538 73 (13) × 10 −27 kg
Numărul lui Avogadro L sau N A 6.022 140 76 × 10 23 mol −1
Constanta Boltzmann k 1.380 649 × 10 −23 J K -1 Legea gazelor
Constanta Faraday F. 9.648 534 15 (39) × 10 4 C mol −1
Constanta de gaz R. 8.314 472 (15) J K −1 mol −1
Constanta structurii fine α 7.297 352 533 (27) × 10 −3
Raza lui Bohr la 0 5.291 772 083 (19) × 10 −11 m
Constanta Rydberg R 1.097 373 156 8549 (83) × 10 7 m −1
Magnetonul lui Bohr μ B 9,274 008 99 (37) × 10 −24 J T −1
Volumul molar pentru gaz ideal la 1 bar , 0 ° C 22.710 981 (40) L mol −1
Energia Hartree Și h 4,359 743 81 (34) × 10 −18 J
Momentul magnetic al electronului μ și -9.284 763 62 (37) × 10 −24 J T −1
Momentul magnetic al protonului μ p 1.410 607 61 (47) × 10 −26 J T −1
Magnetonă nucleară μ N 5,050 786 6 (17) × 10 −27 J T −1
Raportul giromagnetic al protonului γ p 2.675 221 28 (81) × 10 8 s −1 T −1
Constanta Stefan-Boltzmann σ 5.670 400 (40) × 10 −8 W m −2 K −4 Legea Stefan-Boltzmann ( corp negru )
Prima constantă a radiației c 1 3,741 774 9 (22) × 10 −16 W m 2
A doua constantă de radiație c 2 1,438 769 (12) × 10 −2 m K
Constanta Wien (energie) 2.897 7685 (51) × 10 −3 m K Legea lui Wien ( corp negru )
Constanta Wien-Bonal (entropie) [11] 3.002 9152 (05) x 10 −3 m K

Notă

  1. ^ John David Barrow , Înainte de început , în Numerele universului , Milano, Mondadori, 2003, p. 9. ISBN 978-88-04-53248-4
  2. ^ John David Barrow , Călătorie către realitatea supremă , în Numerele universului , Milano, Mondadori, 2003, p. 14-18. ISBN 978-88-04-53248-4
  3. ^ John David Barrow , Extrahuman Standards , în Numerele universului , Milano, Mondadori, 2003. ISBN 978-88-04-53248-4
  4. ^ John David Barrow , Călătorie către realitatea supremă , în Numerele universului , Milano, Mondadori, 2003, p. 22-28. ISBN 978-88-04-53248-4
  5. ^ John David Barrow , Călătorie către realitatea supremă , în Numerele universului , Milano, Mondadori, 2003, p. 28-35. ISBN 978-88-04-53248-4
  6. ^ John David Barrow , Misterul numerelor uriașe , în Numerele universului , Milano, Mondadori, 2003, p. 99. ISBN 978-88-04-53248-4
  7. ^ John David Barrow , Misterul numerelor uriașe , în Numerele universului , Milano, Mondadori, 2003, pp. 99-100. ISBN 978-88-04-53248-4
  8. ^ John David Barrow , Misterul numerelor uriașe , în Numerele universului , Milano, Mondadori, 2003, pp. 100-101. ISBN 978-88-04-53248-4
  9. ^ John David Barrow , Principiul antropic , în Numerele universului , Milano, Mondadori, 2003. ISBN 978-88-04-53248-4
  10. ^ John David Barrow , Principiul antropic , în Numerele universului , Milano, Mondadori, 2003, pp. 146-151. ISBN 978-88-04-53248-4
  11. ^ (EN) Alfonso Delgado-Bonal, Entropia radiației: partea nevăzută a luminii , în Scientific Reports, vol. 7, nr. 1, 10 mai 2017, DOI : 10.1038 / s41598-017-01622-6 . Adus pe 10 mai 2017 .

Bibliografie

  • ( EN ) Peter J. Mohr și Barry N. Taylor, „Valorile recomandate de CODATA ale constantelor fizice fundamentale: 1998”, Journal of Physical and Chemical Reference Data, Vol. 28, No. 6, 1999 și Review of Modern Physics , Vol 72, nr. 2, 2000. [2]
  • John David Barrow , Numerele universului , Milano, Mondadori, 2003, ISBN 978-88-04-53248-4 .

Elemente conexe

linkuri externe

Controlul autorității Tesauro BNCF 31923 · LCCN (EN) sh85031311 · GND (DE) 4174607-7 · BNF (FR) cb11933869c (data)