基本常数

更新时间:2024-10-21 15:28

自然科学中,为了描述自然规律,需要运用各种常数。在这些常数中,一类是有量纲的常数,例如,光速C,普朗克常数h,电子电荷e,质子质量mp,电子质量me,牛顿引力常数G,哈勃常数H等。另一类是没有量纲的常数,这些常数是具有相同单位的常数的比值。

基本介绍

自然界存在一些重要的基本常数(通用常数)fundamental constants(universal constants),这些参数遍及各处都是不变的。例如质子和电子的电荷e、质子的质量 、电子的质量 、光在真空中的速度c、普朗克常数h、玻尔兹曼常数k等。为什么说它们是自然界重要的基本常数?下面举几个例子说明。

质子和电子电荷

这一数据是国际科技数据委员会的最新(1998年12月3日)推荐值(下同)。其中C为电荷的单位库仑。

自然界所有物质的电荷都是e的整数倍。所以物质的电荷不是连续的,而是一份一份的,最小份额就是e,这就是通常所说的物质电荷是量子化的。e是电荷的基本单元。

近代物理学预言了夸克的存在,认为每个夸克携带1/3e或2/3e的电荷,称为分数电荷。分数电荷的预言引起了人们的极大震动,因为这将打破e是电荷基本单元的概念。但是到目前为止尚未发现自由的夸克,也就是说分数电荷的假设还没有得到证实,人们仍然维持着e是电荷基本单元的概念。

质子质量

质子和电子的质量是另外两个重要的基本常数,它们的现代测定值为:

质子和电子都存在各自的反粒子,即负质子和正电子,它们的质量分别和质子、电子的质量相等,电荷和质子、电子的符号相反而数值相等。质子、电子和负质子、正电子分别互为反粒子,即质子、电子分别也是负质子、正电子的反粒子。

基本粒子族群中有许多粒子,除了光子和中微子等静止质量为零或接近零的粒子外,自由粒子中,只有质子、电子和它们的反粒子是稳定粒子,其余都是不稳定的。因此这几种粒子的电荷和质量显得格外突出,为什么这样一个数值就能形成稳定的粒子,而其他数值就都是不稳定的,其中必有缘故。可以认为 等数据中包含了自然界的重大秘密。

正、负质子、电子和各自的反粒子相遇时将发生湮灭,转化为其他粒子。既然负质子、正电子和它们的反粒子非常相似,而我们周围的世界又都由质子和电子构成,为什么很少见到负质子和正电子呢?有人认为,宇宙中存在另一个世界,基本上由负质子和正电子构成,不过那个世界离我们生活的世界十分遥远,人类是难以到达的。幸亏它们相距遥远,这两个世界不能相遇,否则势必引发湮灭反应,造成两败俱伤。是不是真的存在一个由负质子和正电子构成的世界?这也只是一种猜测,有待进一步证实。

光速

c是光在真空中的传播速度,也就是光子的运动速度,是另一个奇妙的物理量。

就目前了解,光速是物质运动的速度极限。光速的另一个奇妙的特性是,在不同速度的坐标系中测量的光速都是相同的,称为光速不变原理。这就是说,不论光源是否在运动,测得的光速都是c。这是不可思议、有悖于常理的。根据我们的经验,在不同速度的坐标系中测定的物体速度是不同的,例如飞机中静止的物体,地面上人看来正在高速运动中。但是光速却不是这样。

爱因斯坦根据光速不变性原理创建了狭义相对论,给出了以下两个公式,显示了光速的另外一层意义:

第一个式子表示物体的质量m随物体速度v的增加而增加。通过这个关系,将质量和速度两个物理量联系了起来。其中 为静止质量,当速度v接近光速c时,质量m将趋于无限大。从这一点也可以说明c是物体的速度极限。

第二个式子称为质能关系,与质量m相联系的是能量 。通过这个关系,将质量和能量这两个物理量联系了起来,在核能利用中发挥了重要的作用。

为什么在坐标变换中光速是一个不变量?为什么光速是物体速度的极限?能不能打破这个极限?能不能预言光速的准确值?这些都是极有兴趣的大问题,也都是难以回答的自然界的基本问题。

常见基本常数

下面列出常见基本常数:

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