Введение
Универсальная и неизменная физическая величина
Физическая постоянная, иногда фундаментальная физическая постоянная или универсальная постоянная, — это физическая величина, которую нельзя объяснить теоретически и, следовательно, необходимо измерять экспериментально. Она отличается от математической константы, которая имеет фиксированное числовое значение, но не связана напрямую с физическими измерениями. В науке существует множество физических констант, среди наиболее известных — скорость света в вакууме c, гравитационная постоянная G, постоянная Планка h, электрическая постоянная ε0 и элементарный электрический заряд e. Физические константы могут иметь различные размерности: скорость света определяет максимальную скорость для любого объекта, и её размерность — это длина, делённая на время; в то время как отношение массы протона к массе электрона — безразмерная величина. Термин «фундаментальная физическая постоянная» иногда используется для обозначения универсальных констант с размерностью, таких как вышеупомянутые. Однако всё чаще физики используют этот термин для более узкого случая — безразмерных универсальных физических констант, таких как постоянная тонкой структуры α, которая характеризует силу электромагнитного взаимодействия. Физические константы, о которых идёт речь здесь, не следует путать с эмпирическими константами, которые являются коэффициентами или параметрами, считающимися постоянными в определённом контексте, но не являющимися фундаментальными. Примеры включают характерное время, характерную длину или характерное число (безразмерное) данной системы, а также материальные константы (например, постоянная Маделунга, удельное электрическое сопротивление и теплоёмкость) конкретного материала или вещества.
Естественные единицы
Можно комбинировать размерные универсальные физические константы для определения фиксированных величин любой требуемой размерности, и это свойство используется для построения различных систем натуральных единиц измерения. В зависимости от выбора и комбинации используемых констант, полученные натуральные единицы могут быть удобны для конкретной области исследований. Например, планковские единицы, построенные на основе c, G, ħ и kB, предоставляют удобные единицы измерения для изучения квантовой гравитации, а атомные единицы, построенные на основе ħ, me, e и 4πε0, удобны в атомной физике. Выбор используемых констант приводит к получению существенно различающихся величин.
Количество фундаментальных констант
Количество фундаментальных физических констант зависит от физической теории, принимаемой за "фундаментальную". В настоящее время это теория общей относительности для гравитации и Стандартная модель для электромагнитных, слабых и сильных ядерных взаимодействий и полей материи. Вместе эти теории учитывают в общей сложности 19 независимых фундаментальных констант. Однако не существует единственного "правильного" способа их перечисления, поскольку определение того, какие величины считать "фундаментальными", а какие – "выведенными", является вопросом произвольного выбора. Узан
Обнаружение изменчивости любой из этих констант было бы эквивалентно открытию "новой физики".
Испытания временной независимости
По определению, фундаментальные физические константы подлежат измерению, поэтому их постоянство (независимость от времени и места проведения измерения) является, по необходимости, экспериментальным результатом и подлежит проверке. Пол Дирак в 1937 году предположил, что физические константы, такие как гравитационная постоянная или постоянная тонкой структуры, могут изменяться со временем пропорционально возрасту Вселенной. Эксперименты в принципе могут лишь установить верхнюю границу относительного изменения в год. Для постоянной тонкой структуры эта верхняя граница сравнительно мала и составляет примерно 10−17 в год (по состоянию на 2008 год). Гравитационную постоянную гораздо сложнее измерить с высокой точностью, и противоречивые результаты измерений в 2000-х годах послужили основой для спорных предложений о периодическом изменении её значения, представленных в статье 2015 года. Однако, несмотря на то, что её значение неизвестно с большой точностью, возможность наблюдения сверхновых типа Ia, произошедших в далёком прошлом Вселенной, в сочетании с предположением об универсальности физики, лежащей в основе этих событий, позволяет установить верхнюю границу менее 10−10 в год для гравитационной постоянной за последние девять миллиардов лет. Аналогично, верхняя граница изменения отношения массы протона к массе электрона была установлена на уровне 10−7 за период в 7 миллиардов лет (или 10−16 в год) в исследовании 2012 года, основанном на наблюдениях метанола в далёкой галактике. Проблематично обсуждать предполагаемую скорость изменения (или его отсутствие) какой-либо одной размерной физической константы изолированно. Это связано с тем, что выбор единиц измерения произволен, что делает вопрос об изменении константы артефактом выбора (и определения) этих единиц. Например, в системе СИ скорость света получила фиксированное значение в 1983 году. Таким образом, до 1983 года было осмысленно экспериментально измерять скорость света в единицах СИ, но сейчас это не имеет смысла. Аналогично, с мая 2019 года постоянная Планка имеет фиксированное значение, в связи с чем все основные единицы СИ теперь определяются через фундаментальные физические константы. С этим изменением международный прототип килограмма выводится из обращения как последний физический объект, используемый в определении любой единицы СИ. При проверке неизменности физических констант рассматриваются безразмерные величины, то есть отношения между величинами одинаковых размерностей, чтобы избежать этой проблемы. Изменения физических констант не имеют смысла, если они приводят к наблюдаемой Вселенной, неотличимой от существующей. Например, "изменение" скорости света *c* было бы бессмысленным, если бы оно сопровождалось соответствующим изменением элементарного заряда *e* таким образом, чтобы выражение *e*²/(4πε₀ħ*c*) (постоянная тонкой структуры) оставалось неизменным.
roughly 10−17 per year (as of 2008). The gravitational constant is much more difficult to measure with precision, and conflicting measurements in the 2000s have inspired the controversial suggestions of a periodic variation of its value in a 2015 paper. However, while its value is not known to great precision, the possibility of observing type Ia supernovae which happened in the universe's remote past, paired with the assumption that the physics involved in these events is universal, allows for an upper bound of less than 10−10 per year for the gravitational constant over the last nine billion years. Similarly, an upper bound of the change in the proton to electron mass ratio has been placed at 10−7 over a period of 7 billion years (or 10−16 per year) in a 2012 study based on the observation of methanol in a distant galaxy. It is problematic to discuss the proposed rate of change (or lack thereof) of a single dimensional physical constant in isolation. The reason for this is that the choice of units is arbitrary, making the question of whether a constant is undergoing change an artefact of the choice (and definition) of the units. For example, in SI units, the speed of light was given a defined value in 1983. Thus, it was meaningful to experimentally measure the speed of light in SI units prior to 1983, but it is not so now. Similarly, with effect from May 2019, the Planck constant has a defined value, such that all SI base units are now defined in terms of fundamental physical constants. With this change, the international prototype of the kilogram is being retired as the last physical object used in the definition of any SI unit. Tests on the immutability of physical constants look at dimensionless quantities, i. e. ratios between quantities of like dimensions, in order to escape this problem. Changes in physical constants are not meaningful if they result in an observationally indistinguishable universe. For example, a "change" in the speed of light c would be meaningless if accompanied by a corresponding change in the elementary charge e so that the expression e^(2)/(4πε0ħc) (the fine structure constant) remained unchanged.
Бесмерные физические константы
Любое соотношение между физическими константами одинаковых размерностей приводит к безразмерной физической константе, например, отношение массы протона к массе электрона. Константа тонкой структуры α является наиболее известной безразмерной фундаментальной физической константой. Она представляет собой значение квадрата элементарного заряда, выраженное в планковских единицах. Это значение стало стандартным примером при обсуждении выводимости или невыводимости физических констант. Введённая Арнольдом Зоммерфельдом, её величина и неопределённость, определённые в то время, соответствовали значению 1/137. Это побудило Артура Эддингтона (1929) построить аргумент в пользу того, что её значение может быть точно равно 1/137, что было связано с числом Эддингтона – его оценкой числа протонов во Вселенной. К 1940-м годам стало ясно, что значение постоянной тонкой структуры значительно отличается от точного значения 1/137, что опровергло аргумент Эддингтона.
Настроенная Вселенная
Некоторые физики исследовали идею о том, что если бы безразмерные физические константы имели существенно иные значения, наша Вселенная была бы настолько радикально иной, что разумная жизнь, вероятно, не смогла бы возникнуть, и, следовательно, наша Вселенная представляется тонко настроенной для существования разумной жизни. Антропный принцип утверждает логическую истину: сам факт нашего существования как разумных существ, способных измерять физические константы, подразумевает, что эти константы должны быть такими, чтобы существа, подобные нам, могли существовать. Существует множество интерпретаций значений этих констант, включая предположение о существовании божественного творца (очевидная тонкая настройка является реальной и намеренной), или о том, что Вселенная – лишь одна из множества во многомирии (например, многомировая интерпретация квантовой механики), или даже о том, что если информация является неотъемлемым свойством Вселенной и логически неразрывно связана с сознанием, то Вселенная, не способная породить сознательные существа, попросту не может существовать.