물리 상수

Physical constant

물리 상수, 때로는 기본적인 물리 상수 또는 보편 상수는 이론으로 설명할 수 없는 물리량이므로 실험적으로 측정해야 합니다. 고정된 수치를 가지지만 물리적 측정을 직접적으로 수반하지 않는 수학 상수와는 구별됩니다.

과학에는 많은 물리 상수가 있는데, 가장 널리 알려진 것은 진공 c에서의 빛의 속도, 중력 상수 G, 플랑크 상수 h, 전기 상수 ε, 그리고 기본 전하 e입니다. 물리 상수는 다양한 차원 형태를 취할 수 있습니다: 빛의 속도는 모든 물체의 최대 속도를 의미하고 그 차원은 시간으로 나누어진 길이를 의미합니다. 반면 양성자 대 전자의 질량 비율은 무차원입니다.

"기본 물리 상수"라는 용어는 위에서 언급한 것과 같이 보편적이지만 차원이 다른 물리 상수를 지칭하는 데 사용되기도 합니다.[1] 그러나 점점 더 물리학자들은 전자기 상호작용의 강도를 특징짓는 미세 구조 상수 α와 같은 무차원 보편적인 물리 상수의 더 좁은 경우에 대한 표현을 유보하고 있습니다.

여기서 논의된 바와 같이 물리적 상수는 기본적이지 않고 주어진 맥락에서 상수로 가정되는 계수 또는 매개 변수인 경험 상수와 혼동되어서는 안 됩니다.[2] 예를 들어, 주어진 시스템의 특성 시간, 특성 길이 또는 특성 수(무차원) 또는 특정 물질 또는 물질의 물질 상수(예: 마들룽 상수, 전기 저항 및 열용량)가 있습니다.

특성.

물리 상수는 물리 이론에서 그 이론으로 설명할 수 없는 매개 변수입니다. 이것은 상수의 명백한 근본적인 특성 때문일 수도 있고 이론의 한계 때문일 수도 있습니다. 따라서 물리적 상수는 실험적으로 측정되어야 합니다.[3]: 9

물리 상수로 간주되는 매개 변수 집합은 물리적 모델이 변경됨에 따라 변경되며 이들이 얼마나 기본적으로 보이는지 변경할 수 있습니다. 예를 들어, 빛의 속도는 원래 빛의 속성, 즉 특정 시스템으로 간주되었습니다. 맥스웰 방정식의 발견과 검증은 전체 시스템인 전자기학과 동일한 양을 연결합니다. 특수 상대성 이론이 등장했을 때, 양은 인과성의 기초로 이해되기에 이르렀습니다.[3] 빛의 속도는 매우 기본적이어서 이제 길이의 국제 단위를 정의합니다.

단위에 대한 관계

수치

물리 상수가 나타내는 물리량은 양을 표현하는 데 사용되는 단위계에 의존하지 않는 반면, 차원 물리 상수의 수치는 단위계의 선택에 의존합니다. "물리 상수"라는 용어는 물리적 양을 의미하며, 주어진 단위 시스템 내의 수치 값을 의미하지 않습니다. 예를 들어, 광속은 초당 SI 단위 미터로 표현될 때 299792458의 수치를 갖는 것으로 정의되고, 플랑크 시간당 자연 단위 플랑크 길이로 표현될 때 1의 수치를 갖는 것으로 정의됩니다. 그 수치는 단위의 선택에 의해 마음대로 정의될 수 있지만, 빛의 속도 자체는 단일 물리 상수입니다.

국제단위계

주 기사: SI base unit

2019년 5월부터 국제 단위계의 모든 단위는 고정된 자연 현상의 관점에서 재정의되었습니다. 여기에는 진공에서의 빛의 속도 c, 플랑크 상수 h, 그리고 기본 전하 e의 세 가지 기본 상수가 포함됩니다.[4]: 128

새로운 정의의 결과로, 킬로그램과 같은 SI 단위는 기본 상수와 실험적으로 측정된 상수인 ν δ로 작성될 수 있습니다.

1 kg = (299792458)2/(6.62607015×10−34)(9192631770)hΔνCs/c2.

자연 단위

메인기사 : 자연단위

원하는 차원의 고정된 양을 정의하기 위해 차원의 보편적인 물리 상수를 결합하는 것이 가능하며, 이 특성은 자연 측정 단위의 다양한 시스템을 구성하는 데 사용되었습니다. 사용되는 상수의 선택과 배열에 따라 결과적인 자연 단위는 연구 영역에 편리할 수 있습니다. 예를 들어, c, G, ħ, k로 구성된 플랑크 단위는 양자중력 연구에 사용하기에 편리한 크기의 측정 단위를 제공하고, ħ, m, e, 4πε로 구성된 원자 단위는 원자물리학에서 편리한 단위를 제공합니다. 사용되는 상수의 선택은 매우 다양한 양으로 이어집니다.

기본상수의 수

기본 물리 상수의 수는 "기본"으로 받아들여지는 물리 이론에 따라 달라집니다. 현재 중력에 대한 일반 상대성 이론과 전자기적, 약하고 강한 핵 상호작용과 물질 분야에 대한 표준 모델입니다. 그 중에서 이 이론들은 총 19개의 독립적인 기본 상수를 설명합니다. 그러나 어떤 양이 "근본적인" 것으로 간주되고 어떤 것이 "유래적인" 것으로 간주되는지가 임의적인 선택의 문제이기 때문에 이를 열거하는 단일 "올바른" 방법은 없습니다. Uzan은[3] 22개의 "표준 모델의 기본 상수"를 다음과 같이 나열합니다.

19개의 독립적인 기본 물리 상수의 수는 표준 모델의 가능한 확장, 특히 중성미자 질량의 도입(예: 3개의 유카와 결합 및 4개의 경입자 혼합 매개변수와 동일)에 따라 변경될 수 있습니다.[3]

이 상수들 중 어떤 것에서도 변동성을 발견하는 것은 "새로운 물리학"의 발견과 동등할 것입니다.[3]

어떤 상수가 "근본적인" 것인지에 대한 질문은 간단하지도 않고 무의미하지도 않으며, 근본적인 것으로 간주되는 물리 이론의 해석에 대한 질문입니다. Levy-Leblond 1977이 지적한 바와 같이, 모든 물리 상수가 동일한 중요성을 갖는 것은 아니며, 어떤 상수는 다른 상수보다 더 깊은 역할을 합니다. Levy-Leblond 1977은 세 가지 유형의 상수에 대한 분류 체계를 제안했습니다.

  • A: 특정물체의 물성
  • B: 물리적 현상의 종류의 특징
  • C: 보편 상수

그 역할에 대한 이해가 깊어질수록 동일한 물리적 상수가 한 범주에서 다른 범주로 이동할 수 있습니다. 이것은 처음 측정되었을 때 등급 A 상수(빛의 특성)였던 빛의 속도에 현저하게 발생했습니다. 그러나 고전 전자기학의 발전으로 B급 상수(전자파 현상의 특징)가 되었고, 마침내 특수 상대성 이론의 발견으로 C급 상수가 되었습니다.[5]

시간-독립성에 관한 실험

주 기사: 기본 상수의 시간 변동

기본 물리 상수는 정의에 따라 측정의 대상이 되기 때문에 (측정 성능의 시간과 위치에 관계없이) 상수는 반드시 실험 결과이며 검증의 대상이 됩니다.

1937년 폴 디랙은 중력 상수나 미세 구조 상수와 같은 물리적 상수들이 우주의 나이에 비례하여 시간이 지남에 따라 변화할 수 있다고 추측했습니다. 실험은 원칙적으로 연간 상대적 변화에만 상한선을 둘 수 있습니다. 미세 구조 상수의 경우, 이 상한은 연간 약 10개−17(2008년 기준)로 비교적 낮습니다.[6]

중력 상수는 정확하게 측정하기가 훨씬 더 어려우며, 2000년대의 상반된 측정은 2015년 논문에서 그 값의 주기적인 변화에 대한 논란의 여지가 있는 제안에 영감을 주었습니다.[7] 하지만 그 가치는 그다지 정확하게 알려져 있지는 않지만, 우주의 먼 과거에서 일어난 Ia형 초신성을 관찰할 수 있는 가능성은 이러한 사건에 관련된 물리학이 보편적이라는 가정과 일치합니다. 지난 90억 년 동안의 중력 상수에 대해 연간 10−10 미만의 상한을 허용합니다.[8]

마찬가지로, 멀리 떨어진 은하에서 메탄올을 관찰한 2012년 연구에서 양성자 대 전자 질량 비율의 변화의 상한은 70억 년 동안(또는 1년에−16 10) 10으로−7 설정되었습니다.[9][10]

단일 차원 물리 상수의 제안된 변화율(또는 그 결여)을 분리하여 논의하는 것은 문제가 있습니다. 그 이유는 단위의 선택이 자의적이기 때문에 상수가 변화를 겪고 있는지 여부에 대한 문제가 단위 선택(및 정의)의 인공적인 결과가 됩니다.[11][12][13]

예를 들어, SI 단위에서는 1983년에 광속이 정의된 값으로 주어졌습니다. 따라서 1983년 이전에는 SI 단위로 빛의 속도를 실험적으로 측정하는 것이 의미가 있었지만 지금은 그렇지 않습니다. 마찬가지로, 2019년 5월부터 시행된 플랑크 상수는 정의된 값을 가지므로 모든 SI 기본 단위는 이제 기본 물리 상수로 정의됩니다. 이러한 변화로 국제 킬로그램 원기는 SI 단위의 정의에 사용되는 마지막 물리적 물체로 폐기되고 있습니다.

물리 상수의 불변성에 대한 테스트는 이러한 문제를 피하기 위해 무차원 양, 즉 동일한 차원의 양 간의 비율을 조사합니다. 물리 상수의 변화가 관측상 구별할 수 없는 우주를 초래한다면 의미가 없습니다. 예를 들어, 광속 c의 "변화"는 e/(4 πεħc)(미세 구조 상수)식이 변하지 않도록 기본 전하의 변화를 동반한다면 의미가 없습니다.

무차원 물리 상수

동일한 치수의 물리 상수 간의 비율은 예를 들어 양성자 대 전자 질량 비율과 같은 무차원 물리 상수를 초래합니다. 미세 구조 상수 α는 가장 잘 알려진 무차원 기본 물리 상수입니다. 플랑크 단위로 표시된 기본 전하 제곱 값입니다. 이 값은 물리 상수의 유도성 또는 비유도성을 논의할 때 표준적인 예가 되었습니다. Arnold Sommerfeld가 소개한 그 가치와 당시 결정된 불확실성은 137분의 1로 일치했습니다. 이것은 아서 에딩턴(1929)이 그 값이 정확하게 1/137일 수 있다는 주장을 구성하도록 동기를 부여했는데, 이는 우주의 양성자 수에 대한 그의 추정치인 에딩턴 수와 관련이 있습니다.[15] 1940년대에 이르러 미세 구조 상수의 값이 1/137의 정확한 값에서 크게 벗어난다는 사실이 밝혀지면서 에딩턴의 주장을 반박했습니다.[16]

미세조정우주

주요 기사: 미세조정된 우주와 인류의 원리

일부 물리학자들은 무차원 물리상수가 충분히 다른 값을 가지면 우리 우주는 너무 근본적으로 달라서 지적 생명체가 출현하지 않았을 것이며 따라서 우리 우주는 지적 생명체에 맞게 미세 조정된 것처럼 보일 것이라는 개념을 탐구했습니다.[17] 인류의 원리는 논리적 진실성을 말합니다. 물리적 상수를 측정할 수 있는 지적인 존재로서 우리의 존재의 사실은 우리와 같은 존재가 존재할 수 있는 그런 상수가 필요합니다. 상수의 값에 대한 다양한 해석이 존재하는데, 여기에는 신적인 창조자의 값(명백한 미세 조정이 실제적이고 의도적인 것), 또는 우주가 다중 우주에서 많은 우주라는 것(예: 양자역학의 다중 세계 해석), 또는 심지어 그 밖의 것, 정보가 우주의 선천적 속성이고 논리적으로 의식과 분리할 수 없는 것이라면, 의식적 존재의 능력이 없는 우주는 존재할 수 없습니다.

물리상수표

주 기사: 물리 상수 목록

아래 표는 자주 사용되는 몇 가지 상수와 해당 상수의 CODATA 권장 값을 나열합니다. 보다 확장된 목록은 물리 상수 목록을 참조하십시오.

양 기호. 가치[18] 관련있는
표준.
불확정성
초전비 1.602176634×10−19 C[19] 0
뉴턴 중력 상수 6.67430(15)×10−11 m3⋅kg−1⋅s−2[20] 2.2x10−5
플랑크 상수 6.62607015×10−34 J⋅Hz−1[21] 0
진공에서의 빛의 속도 299792458 m⋅s−1[22] 0
진공 전기 유전율 8.8541878128(13)×10−12 F⋅m−1[23] 1.5x10−10
진공 투자율 1.25663706212(19)×10−6 N⋅A−2[24] 1.5x10−10
전자의 질량 9.1093837015(28)×10−31 kg[25] 3.0x10−10
미세 구조 상수 7.2973525693(11)×10−3[26] 1.5x10−10
조셉슨 상수 483597.8484...10Hz ⋅V[27] 0
뤼드베르크 상수 10973731.568160(21) m−1[28] 1.9x10−12
폰 클리칭 상수 25812.80745... Ω[29] 0

참고 항목

참고문헌

  1. ^ "Fundamental Physical Constants from NIST". Archived from the original on 2016-01-13. Retrieved 2016-01-14. NIST
  2. ^ "ISO 80000-1:2022 Quantities and units — Part 1: General". iso.org. Retrieved 2023-08-31.
  3. ^ a b c d e Uzan, Jean-Philippe (2011). "Varying Constants, Gravitation and Cosmology". Living Reviews in Relativity. 14 (1): 2. arXiv:1009.5514. Bibcode:2011LRR....14....2U. doi:10.12942/lrr-2011-2. PMC 5256069. PMID 28179829.
  4. ^ a b Le Système international d’unités [The International System of Units] (PDF) (in French and English) (9th ed.), International Bureau of Weights and Measures, 2019, ISBN 978-92-822-2272-0
  5. ^ Lévy-Leblond, J. (1977). "On the conceptual nature of the physical constants". La Rivista del Nuovo Cimento. Series 2. 7 (2): 187–214. Bibcode:1977NCimR...7..187L. doi:10.1007/bf02748049. S2CID 121022139.Lévy-Leblond, J.-M. (1979). "The importance of being (a) Constant". In Toraldo di Francia, G. (ed.). Problems in the Foundations of Physics, Proceedings of the International School of Physics 'Enrico Fermi' Course LXXII, Varenna, Italy, July 25 – August 6, 1977. New York: NorthHolland. pp. 237–263.
  6. ^ T. Rosenband; et al. (2008). "Frequency Ratio of Al+ and Hg+ Single-Ion Optical Clocks; Metrology at the 17th Decimal Place". Science. 319 (5871): 1808–12. Bibcode:2008Sci...319.1808R. doi:10.1126/science.1154622. PMID 18323415. S2CID 206511320.
  7. ^ J.D. Anderson; G. Schubert; V. Trimble; M.R. Feldman (April 2015), "Measurements of Newton's gravitational constant and the length of day", EPL, 110 (1): 10002, arXiv:1504.06604, Bibcode:2015EL....11010002A, doi:10.1209/0295-5075/110/10002, S2CID 119293843
  8. ^ J. Mould; S. A. Uddin (2014-04-10), "Constraining a Possible Variation of G with Type Ia Supernovae", Publications of the Astronomical Society of Australia, 31: e015, arXiv:1402.1534, Bibcode:2014PASA...31...15M, doi:10.1017/pasa.2014.9, S2CID 119292899
  9. ^ Bagdonaite, Julija; Jansen, Paul; Henkel, Christian; Bethlem, Hendrick L.; Menten, Karl M.; Ubachs, Wim (December 13, 2012). "A Stringent Limit on a Drifting Proton-to-Electron Mass Ratio from Alcohol in the Early Universe" (PDF). Science. 339 (6115): 46–48. Bibcode:2013Sci...339...46B. doi:10.1126/science.1224898. hdl:1871/39591. PMID 23239626. S2CID 716087.
  10. ^ Moskowitz, Clara (December 13, 2012). "Phew! Universe's Constant Has Stayed Constant". Space.com. Archived from the original on December 14, 2012. Retrieved December 14, 2012.
  11. ^ Duff, Michael (2015). "How fundamental are fundamental constants?". Contemporary Physics. 56 (1): 35–47. arXiv:1412.2040. Bibcode:2015ConPh..56...35D. doi:10.1080/00107514.2014.980093. hdl:10044/1/68485. S2CID 118347723.
  12. ^ Duff, M. J. (13 August 2002). "Comment on time-variation of fundamental constants". arXiv:hep-th/0208093.
  13. ^ Duff, M. J.; Okun, L. B.; Veneziano, G. (2002). "Trialogue on the number of fundamental constants". Journal of High Energy Physics. 2002 (3): 023. arXiv:physics/0110060. Bibcode:2002JHEP...03..023D. doi:10.1088/1126-6708/2002/03/023. S2CID 15806354.
  14. ^ Barrow, John D. (2002), The Constants of Nature; From Alpha to Omega – The Numbers that Encode the Deepest Secrets of the Universe, Pantheon Books, ISBN 978-0-375-42221-8
  15. ^ A.S Eddington (1956). "The Constants of Nature". In J.R. Newman (ed.). The World of Mathematics. Vol. 2. Simon & Schuster. pp. 1074–1093.
  16. ^ H. Kragh (2003). "Magic Number: A Partial History of the Fine-Structure Constant". Archive for History of Exact Sciences. 57 (5): 395–431. doi:10.1007/s00407-002-0065-7. S2CID 118031104.
  17. ^ Leslie, John (1998). Modern Cosmology & Philosophy. University of Michigan: Prometheus Books. ISBN 1573922501.
  18. ^ 값은 소위 간결한 형태로 제공되며, 괄호 안의 숫자는 값의 최소 유효숫자를 나타내는 표준 불확실성을 나타냅니다.
  19. ^ "2018 CODATA Value: elementary charge". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20.
  20. ^ "2018 CODATA Value: Newtonian constant of gravitation". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20.
  21. ^ "2018 CODATA Value: Planck constant". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2021-04-28.
  22. ^ "2018 CODATA Value: speed of light in vacuum". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20.
  23. ^ "2018 CODATA Value: vacuum electric permittivity". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20.
  24. ^ "2018 CODATA Value: vacuum magnetic permeability". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20.
  25. ^ "2018 CODATA Value: electron mass". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20.
  26. ^ "2018 CODATA Value: fine-structure constant". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20.
  27. ^ "2018 CODATA Value: Josephson constant". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20.
  28. ^ "2018 CODATA Value: Rydberg constant". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20.
  29. ^ "2018 CODATA Value: von Klitzing constant". The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty. NIST. 20 May 2019. Retrieved 2019-05-20.


외부 링크

Wikimedia Commons에는 물리 상수와 관련된 미디어가 있습니다.