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关于基本物理常数的科学认识

科普小知识2021-12-16 16:39:13
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基本物理常数是物理学中的一些普遍常数,是人类在探索客观世界基本运动规律的过程中提出并确定的物理基本常数。这些常数与自然科学的各个分支密切相关,在科学理论和科学实验的发展中发挥着重要作用。基本物理常数包括牛顿引力常数G、真空中光速C、普朗克常数H、基本电荷E、电子静止质量Me、阿伏伽德罗常数Na等。物理学许多新领域的开拓和重要物理理论的建立,往往与相关基本物理常数的发现或精确测定密切相关。基本物理常数描述并反映了物理世界的基本性质和特征,它们为区分不同领域提供了定量标准。基本物理常数的测量及其精度的不断提高经历了漫长的历史时期,生动地反映了实验技术和测量方法的发展和更新。现在,许多基本物理常数的精度已经达到10-6个数量级,有些甚至达到10-8到10-10个数量级。本文仅限于空间,仅以光速C和普朗克常数H为例。光速是光波的传播速度,与声波和水波的传播速度相似,没有任何“特殊”状态。但是仔细分析,光速似乎确实有一些特殊的特征。一个是光速非常大,远远超过所有其他的波速。第二,光波可以在真空中传播,而没有相应的弹性介质,其他波就不存在,这就导致了关于以太网(假设的弹性介质)的各种争论。麦克斯韦在1865年建立了电磁场方程,证明了电磁波的存在,并推导出电磁波的速度c等于电流的电磁单位和静电单位之比。1849年斐索通过实验测量了光在空气中的传播速度为C = 3.14858×108米/秒。属于光学和电磁相,C电磁波和C光波之间的两种传播速度出乎意料地一致,麦克斯韦立即意识到光波就是电磁波。因此,把C作为统一光学和电磁学的桥梁,这两者以前被认为是互不相关的。同时,由于电磁波的传播依赖于电磁场的内部联系,不需要任何弹性介质,使得“醚”的存在与不存在没有区别,也没有必要对其施加各种性质。此时,光速的位置突然上升。麦克斯韦电磁场理论揭示了电磁场运动变化的规律,统一了光学和电磁学,开创了物理学的新时代。但与此同时,它也提出了一个新的更深刻的问题:麦克斯韦方程只适用于特定的惯性系统还是所有的惯性系统。如果麦克斯韦方程只适用于特殊的惯性系统,它不仅违反了相对论,而且惯性系统是牛顿的绝对空间,地球相对于它的运动将受到以太风的影响。然而,迈克尔逊-莫雷实验试图检测其影响,却产生了负面结果。如果麦克斯韦方程适用于所有的惯性系统,根据伽利略变换得到的经典速度合成定律,不同惯性系统中的光速应该是不同的,甚至可能出现与因果关系相反的超光速现象,这是难以解释的。简而言之,麦克斯韦电磁场理论、伽利略变换和相对论之间存在着深刻的不可调和的矛盾。直到1905年,爱因斯坦才根据相对论和光速不变的原理,借助洛伦兹变换方程,建立了他的狭义相对论,所有这些矛盾和困惑才最终得到解决。因此,真空中的光速C从光波的速度上升到所有电磁波的传播速度,然后进一步成为所有实际物体和信号速度的上限,并且在任何惯性系统中,C的值是相同的。c作为一个基本的物理常数,提供了一个不可逾越的速度极限,从根本上否定了所有的超距效应,成为相对论和新的时空概念的一个明确标志,同时也成为是否需要考虑相对论效应的一个定量判断标准。1900年,普朗克提出了谐振子能量不连续性的大胆假设来解释黑体辐射。1905年,爱因斯坦为了解释光电效应,将能量光子的假设扩展到电磁波,并提出了“光量子”。1924年,德布罗意通过对粒子和波的比较,假设微观粒子也具有波粒二象性,并把它们的动量设为P,那么它们的德布罗意波长由以下公式确定:pλ=h,其中H是一个常数,称为普朗克常数,H几乎处处都出现。它宣布了物理学中一个新的研究领域——量子物理学的诞生。量子物理的进展表明,普朗克常数H是量子物理中的一个重要常数。所有与量子效应相关的物理量都与它相关。h不仅要成为微观粒子运动特征的定量标准,而且要成为量子物理和经典物理之间的定量边界(正如C是相对论和非相对论之间的定量边界)。如果物理系统的作用量纲的物理量与H相当,系统的行为必须在量子力学的框架内描述。另一方面,如果具有作用维数的物理系统的物理量远大于h,则经典物理定律对该系统具有足够的准确性。普朗克常数h的深刻意义和重要地位使其成为基本物理常数之一。普朗克常数h的一个意想不到的有趣的意义是,它是一个与宇宙的存在形式直接相关的基本常数。可见物质和辐射在宇宙中广泛存在,它们之间的能量交换(如物体发射或吸收光)遵循一个物理原理,即能量按照*平均分配。如果没有普朗克常数,也就是说,如果h=0,那么辐射和有形物质之间的能量交换可以任意进行。因为辐射的*度与频率的平方成正比,所以随着频率的增加,辐射的*度没有上限。因此,辐射将通过与有形材料的能量交换不断地从有形材料中吸收能量,最终导致有形材料的破坏。因此,整个宇宙都是辐射,没有原子、分子,没有气体、液体、固体等。当然,生命和人类是不能谈论的。幸运的是,普朗克常数h不是零,辐射的能量是不连续的。存在ε=hv的能量阶跃。波长越短,频率越高。能量阶梯越高,在与有形物质的能量交换中就越没用。相应的辐射*度被冻结。因此,有形材料和辐射之间的能量交换是有限的。只有这样,两者才能达到平衡,我们的宇宙才能以今天丰富多样的形式存在。下面介绍精确测量C和h的现代方法。测量真空中光速的精确方法是直接测量激光的频率ν和真空波长λ,并从两者的乘积中获得真空光C。1972年,通过测量甲烷光谱线的频率和真空波长,发现真空中的光速为1.2米/秒。1983年第17届国际计量大会将这种新仪器定义为“光在真空中传播的时间间隔为1/299792458秒。”由于光速是确定的,不确定度为零,所以不需要测量,从而结束了普朗克首次给出的300多年精确测量的历史。普朗克利用黑体辐射位移定律中的Wien常数b和k(Boltzmann常数)、c和h之间的关系,由b、k和c计算h。他利用光电效应实验获得h。现代精确测定h的方法是利用约瑟夫森效应,这是超导体的一种量子效应。1900年,汤姆森在总结过去几百年的物理教学时数时指出:“在已经基本建成的科学大楼里,似乎后来的物理学家只需要做一些零敲碎打的修理工作;然而,远离物理学的晴空,仍然有两个令人不安的乌云。”这两个乌云是黑体辐射和米歇尔-森-莫利实验,这在当时是无法解释的。正是它们引起了物理学的深刻变化,并导致了量子力学和相对论的诞生。同时,出现了两个基本的物理常数H和C。