自然科學有哪幾個基本常數?

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這裡先多說一句,玻爾茲曼常數k其實是由其他常數定義而來的,即理想氣體常數R與阿伏加德羅常數NA的比值,所以這個常數並不能算作一個基本常數。儘管如此,正如題主所言,玻爾茲曼常數有著重要的物理意義。

在定義玻爾茲曼常數的常數中,理想氣體常是理想氣體狀態方程中的常數,它與氣體的種類沒有關係,其大小約為8.314 J/mol/K。阿伏加德羅常數能夠把宏觀的物質的量與微觀的粒子數結合起來,其大小約為6.022×10^23 /mol。

類似玻爾茲曼常數這樣由其他基本常數定義而來的常數還有斯特藩-玻爾茲曼常數σ,定義它的常數包括圓周率、玻爾茲曼常數、普朗克常數以及光速。這個常數源自黑體輻射,根據斯特藩-玻爾茲曼定律,黑體輻的輻射功率與溫度(開氏溫標)的四次方成正比,其大小約為5.670×10^-8 W/m^2/K^4。

說到自然科學中的其他基本常數,首先想到的是光速c,其大小為299792458 m/s,這個數值是人為定義的。光在真空中的行進速度始終保持不變的光速,無論觀察者從任何的參照系中進行測量都是如此,這是物理學中極為重要的發現,後來成為愛因斯坦創立狹義相對論的兩大基礎之一:光速不變原理。

萬有引力常數G是另一個十分重要的基本常數,這是用牛頓的萬有引力定律來計算引力大小的關鍵常數。此外,它也出現在愛因斯坦的引力場方程中。由於引力很弱,很難精確測出這個常數的大小,目前測得的大小約為6.674×10^-11 m^3/kg/s^2。

此外,自然科學中的基本常數還包括基本電荷e,除了夸克之外,其他帶電物體物體的電荷量都是這個常數的整數倍,比如質子帶一個正電荷。根據測量,基本電荷的大小約為1.602×10^-19 C。


火星一號

我簡要介紹一下物理學中的主要的基本常數。首先是不變的基本常數:

1、真空中的光速c:這個沒什麼好說的,光速不變原理是相對論的前提和出發點,是狹義相對論的兩個公理之一。目前沒有任何實驗證據發現我們的宇宙中存在光速變化。

2、普朗克常數h:這是量子力學最重要的常數。普朗克常數的量綱和作用量(action)一樣,即能量x時間,或者動量x距離,因此這個常數本質上代表作用量的量子化,量子化的作用量乘上頻率(即除以週期)就成了量子化的能量,乘上波數k(即除以波長)就代表了動量的量子化。角動量和作用量一個量綱,於是普朗克常數還可以直接表示角動量的量子化。普朗克常數可以引申出普朗克時間,普朗克長度,普朗克能量等。

3、單位電荷e:電子攜帶的電荷,曾經認為是電荷的最小單元,即電荷的“量子”,但後來發現夸克具有1/3或2/3的單位電荷,但這並不意味著電子的電荷可以繼續分割。與此類似的有弱同位旋和色荷等其它基本常數。

4、玻爾茲曼常數k_b:連接能量和溫度,熱力學和統計物理最重要的常數。

其餘就是那些可變的基本常數,主要包括兩類:

1、基本粒子質量:在量子場論之前認為每個粒子的質量(靜質量)都是固定不變的常數。但量子場論中,重整化在微小時空尺度下會重新修正基本粒子的質量,而且基本粒子的質量來自於和higgs場的耦合,因此依賴於和higgs場的耦合強度。

2、耦合常數:代表相互作用強度,例如代表電磁相互作用強度的精細結構常數(和真空介電常數等價),代表弱相互作用的和強相互作用的耦合常數等。量子場論中認為這些耦合常數是隨著能量尺度不斷變化的,即“跑動耦合常數”。在很高的能量下,三個耦合常數會彼此相交,但不會交於一點,但引入超對稱之後,會交於一點,即代表三種基本力在很高能量下是統一在一起的。這也是超對稱存在的最有力暗示之一。

最後還要提一下引力常數G,如果廣義相對論和量子場論無法統一,那麼它就是一個不變的常數。如果廣義相對論和量子場論能夠統一,那麼他也應該屬於跑動耦合常數,並且在普朗克能量以上和另外三種基本力是統一的。


九維空間

題主的問題有點大了,我儘量說全一些,每一個常數都是一個驚心動魄的故事。

1、圓周率π

π作為第一個常數,我想大家都沒有意見,其意義也簡單明瞭,就是圓的周長除以直徑,早在《周髀算經》時就有周三徑一的說法,但是其計算卻是一部傳奇,那就是一部數學史。

第一個計算出π的是阿基米德,他說的是223/71——22/7之間,其實就是3.14,我們平時所說的3.14就是這麼來的。

關於π最著名的當然是祖沖之,第一次把π精確到了小數點後面七位,指出π介於3.1415926和3.1415937之間,祖沖之採用的是劉徽的割圓法,這已經有了微積分的思想。

祖沖之這一記錄保持了大約1000年,直到15世紀才由阿拉伯數學家打破,那時候計算到了小數點後17位。

但是圓周率用π來表示,卻沒有多長時間,也就三百來年,最早由英國數學家威廉瓊斯在1706年使用,後來歐拉也開始使用,於是就推廣開來,為什麼啊,因為歐拉牛啊,數學史上絕對能進前三。

2、自然對數e

e很神奇,因為它叫自然對數,可它憑什麼叫自然對數啊,因為它很自然,關於e的最著名的就是歐拉公式。

是不是很神奇?至於為什麼用e表示,因為歐拉喜歡,為什麼歐拉喜歡就這麼用,因為他是歐拉。

e的計算方法就不象π那麼直觀了,就需要一點數學常識了。

是不是很美?至於有什麼用處,用處太大了,自然對數的底就是e啊,就是說我們所有的對數計算都要依靠e,這還只是應用的一個小方面。

3、萬有引力常數G

這個是萬有引力常數,就是牛爵爺被蘋果砸到腦袋琢磨出來的萬有引力定律前那個常數,爵爺摸了摸腦袋一聲長嘆,還好沒生在熱帶,要不掉下個椰子來咋辦呢?

當然只是個傳說,爵爺一生嚴肅,不苟言笑,就算他真被蘋果砸到頭他也不會說出去,總而言之,爵爺憑藉自己的天才提出了萬有引力定律,至於常數是多少,爵爺表示我很忙,你們自己測吧。

可是這個G怎麼測出來呢,在當時那麼粗糙的條件下,計算地球和月球的引力又不合適,眾人一臉困惑,這要靠神奇的卡文迪許了,卡文迪許利用光扭稱奇蹟般的測量了萬有引力常數。

卡文迪許也是位神人,這是一位謙謙君子,特別靦腆,誰要誇獎他一句,他能臊得三天說不出話來,而且他還不是物理學家,是個化學家,對空氣成分頗有研究,二氧化碳氫氣都是他發現的,還有硝酸,他對電學研究頗深,直接啟發了庫倫定律

最傳奇的是他測出了萬有引力常數後,就束之高閣,多少年後,人們整理他的論文才發現G早就被測出來了。

4、阿伏伽德羅常數NA

阿伏伽德羅常數的重要意義自是不必說了,直接打通了宏觀和微觀,關於這個常數的故事麻煩請移步我的回答《為什麼引入了阿伏伽德羅常量(也叫洛施密特常量)後,估算原子的大小成為了可能?》,那裡說的很清楚。

不過有一點需要說清楚,阿伏伽德羅常數並不是阿伏伽德羅計算出來的,只是他提出的,還有就是阿伏伽德羅常數動用了愛因斯坦,愛神在1905年寫了五篇論文,其中就有涉及阿伏伽德羅常數的,法國物理學家根據論文做實驗,重新測定了常數,並獲得了諾貝爾獎,不過諾貝爾獎沒有分給愛因斯坦,愛因斯坦表示:寶寶心裡苦,寶寶不說。

5、普朗克常數

這個常數太重要了,是現代物理學的開端,量子力學就從這裡走來,這是由絕世美少年普朗克提出,普朗克是一個明明可以靠顏值,偏偏要靠才華的典範。

是不是可以秒殺當代無腦小鮮肉,不過這是在搞物理之前,研究物理之後呢?

我的眼鏡呢?誰給我找一下,什麼?碎了,碎了就碎了吧,看到絕世美少年變成油膩中年大叔,我心都碎了,誰還在乎一個眼鏡。

普朗克還推算出了玻爾茲曼常數,不過他謙虛地命名為玻爾茲曼常數,以表示對前輩的尊重,但是上帝是公平的,還是送給了他另外一個常數,就是普朗克常數。

剩下的還有一些常數,例如玻爾茲曼常數,理想氣體方程常數,但是這些常數基本都可以由以上常數推斷出來,就不再多說了。


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