Введение

Физическая константа без размерности
В физике безразмерная физическая константа — это физическая константа, не имеющая размерности, то есть чистое число, не связанное с какими-либо единицами измерения и имеющее числовое значение, не зависящее от используемой системы единиц. Это понятие не следует путать с безразмерными числами, которые не являются универсально постоянными и остаются постоянными лишь для конкретного явления. Например, в аэродинамике, при рассмотрении конкретного профиля крыла, значение числа Рейнольдса для перехода от ламинарного к турбулентному течению является одним из важных безразмерных чисел в данной задаче. Однако оно тесно связано с конкретной задачей: например, с рассматриваемым профилем крыла и типом жидкости, в которой происходит движение. Термин «фундаментальная физическая константа» иногда используется для обозначения некоторых универсальных безразмерных констант. Наиболее известным примером является постоянная тонкой структуры, α, которая приблизительно равна 1/137.036.

Терминология

Утверждалось, что термин «фундаментальная физическая постоянная» следует ограничивать безразмерными универсальными физическими постоянными, которые в настоящее время нельзя вывести из каких-либо других источников; здесь придерживаются именно этого более строгого определения. Однако термин «фундаментальная физическая постоянная» также иногда использовался для обозначения определенных универсальных физических постоянных, имеющих размерность, таких как скорость света c, диэлектрическая проницаемость вакуума ε0, постоянная Планка h и гравитационная постоянная G, которые фигурируют в самых фундаментальных физических теориях. NIST и CODATA иногда использовали этот термин в менее строгом смысле.

Характеристики

Нет исчерпывающего списка таких констант, но имеет смысл задаться вопросом о минимальном количестве фундаментальных констант, необходимых для определения конкретной физической теории. Таким образом, Стандартная модель требует 25 физических констант. Примерно половина из них – это массы фундаментальных частиц, которые становятся безразмерными при выражении относительно массы Планка или, альтернативно, как константы связи с полем Хиггса вместе с гравитационной константой. Фундаментальные физические константы нельзя вывести и их необходимо измерять. Развитие физики может привести либо к уменьшению, либо к увеличению их числа: открытие новых частиц или новых соотношений между физическими явлениями введет новые константы, а разработка более фундаментальной теории может позволить вывести несколько констант из одной, более фундаментальной. Давно преследуемая цель теоретической физики – найти фундаментальные принципы (теорию всего), из которых можно вычислить все фундаментальные безразмерные константы и сравнить их с измеренными значениями. Большое количество фундаментальных констант, необходимых в Стандартной модели, считается неудовлетворительным с момента формулирования теории в 1970-х годах. Стремление к теории, которая позволила бы рассчитать массы частиц, является ключевой мотивацией для поиска "физики за пределами Стандартной модели".

История

В 1920-х и 1930-х годах Артур Эддингтон приступил к обширным математическим исследованиям соотношений между фундаментальными величинами в основных физических теориях, которые позже использовались в рамках его усилий по построению всеобъемлющей теории, объединяющей квантовую механику и космологическую физику. Например, он предположил о потенциальных последствиях отношения радиуса электрона к его массе. Наиболее примечательно, что в статье 1929 года он изложил аргумент, основанный на принципе исключения Паули и уравнении Дирака, который фиксировал значение обратной константы тонкой структуры как α−1 = 16 + 1/2 × 16 × (16 − 1) = 136. Когда было обнаружено, что её значение ближе к 137, он изменил свой аргумент, чтобы соответствовать этому значению. Его идеи не получили широкого признания, и последующие эксперименты показали, что они были неверными (например, ни одно из измерений постоянной тонкой структуры не указывает на целое число; в 2018 году она была измерена как α = 1/137.035999046(27)). Хотя его выводы и уравнения были необоснованными, Эддингтон был первым физиком, признавшим значимость универсальных безразмерных констант, которые сейчас считаются одними из важнейших компонентов основных физических теорий, таких как Стандартная модель и ΛCDM-космология. Он также первым высказался о важности самой космологической константы Λ, считая её жизненно важной для объяснения расширения Вселенной, в то время как большинство физиков (включая её первооткрывателя, Альберта Эйнштейна) рассматривали её как грубую ошибку или математический артефакт и предполагали значение, равное нулю: это, по крайней мере, оказалось пророческим, и значительная положительная Λ играет важную роль в ΛCDM-космологии. Эддингтон, возможно, был первым, кто безуспешно попытался вывести основные безразмерные константы из фундаментальных теорий и уравнений, но он, безусловно, не был последним. Многие другие впоследствии предпринимали подобные попытки, и эти усилия иногда продолжаются и сегодня. Ни одна из них пока не дала убедительных результатов или не получила широкого признания среди теоретиков-физиков. Эмпирическое соотношение между массами электрона, мюона и тау было обнаружено физиком Ёсио Коидэ, но эта формула остаётся необъяснённой.

Космологические константы

Космологическая постоянная, которую можно интерпретировать как плотность тёмной энергии во Вселенной, является фундаментальной константой в физической космологии и имеет безразмерное значение, приблизительно равное 10−122. Другими безразмерными константами являются мера однородности Вселенной, обозначаемая Q и объясняемая ниже Мартином Рисом, отношение массы барионов к числу фотонов, отношение массы холодной тёмной материи к числу фотонов и отношение массы нейтрино к числу фотонов.

Барроу и Типлер

Барроу и Типлер (1986) основывают свои широкие рассуждения об астрофизике, космологии, квантовой физике, телеологии и антропном принципе на постоянной тонкой структуры, отношении массы протона к массе электрона (которое они, наряду с Барроу (2002), называют β) и константах связи для сильного взаимодействия и гравитации.