Республики казахстан

 
 
 
 
 
 
 
              
БҚМУ 
 
Хабаршысы  №4-2015ж.  
 
 
99 
гравитационная  постоянная,  постоянная  Планка,  скорость  света,  роль  которых  в 
современной физике особенно значима. 
При  изучении  физики    постоянные  во  многих  задачах  рассматриваются  и 
используются  как  некоторый  справочный  материал.    При  таком  подходе  к 
постоянным величинам теряется  значимость многих постоянных величин в развитии 
физической  науки.  На  это  обращается  внимание,  например,  в  работе  [1].  Автор 
рассматривает  универсальные  постоянные,  как  вехи,  ориентиры,  «которые 
расставила природа на том бесконечно длинном и трудном пути, который называется 
познанием»  [1,  с.  3].  Появление  универсальных  постоянных,  понимание  их 
физического  смысла,  количественного  значения  сопровождалось  важными 
дискуссиями  выдающихся  ученых  об  особенностях  физических  явлений  и  законов. 
Это  на  определенных  этапах  развития  науки  приводило  к  коренному  пересмотру 
сложившихся  представлений.  Универсальные  физические  постоянные  можно 
рассматривать  как  звезды  указывающие  путь  к  познанию.  Каждая  физическая 
постоянная имеет свою историю, которую создавали величайшие ученые: И. Ньютон, 
Л. Больцман, М. Планк, А. Эйнштейн и многие другие. 
Многие  физические  константы  прошли  длительный  путь  от  возникновения 
идеи  об  их  существовании  до  экспериментального  измерения  количественного 
значения  и  анализа,  понимания  их  значимости  в  физической  науке.  Названию 
некоторых  постоянных  присвоены  имена  ученых,  которые  их  ввели,  например, 
постоянная  Планка,  постоянная  Ридберга.  Гравитационную  постоянную    называют 
постоянной  Ньютона.  Некоторым  постоянным  присвоены    имена  ученых,  внесших 
значительный  вклад  в  соответствующий  раздел  физики  (постоянная  Больцмана, 
постоянная Авогадро). Скорость света называют постоянной Эйнштейна. 
Термины  «постоянная»,  «константа»  и  соответствующие  им  значенияшироко 
распространеныи  играют  большую  роль  в  физической  науке  и,  следовательно,  в 
процессе  обучения.  Это  можно  видеть,  например,  на  величинах,  характеризующих 
вещество, которые вводились как постоянные коэффициенты в физических формулах 
и  законах,  но  в  действительности  оказалось,  что  их  можно  считать  постоянными 
только    в  интервале  обычных  температур.  Исследования  показали,  что 
характеристики  вещества  изменяются  с  изменением  температуры.  Такое  изменение 
характеристикособенно  заметно  в  области  низких  температур,  близких  к 
абсолютному  нулю.  Это  относится  к  достаточно  известным  величинам,  таким  как 
теплоемкость,  коэффициенты  теплового  расширения,  электропроводимости, 
термический коэффициент  давления и многие другие. Исследование температурной 
зависимости  таких  величин  внесло  значительный  вклад  в  развитие  физической 
науки, в том числе в возникновение и становление современной квантовой физики. 
Большое  количество  постоянных,  используемых  в  настоящее  время  в 
физической науке, естественно, привело к необходимости их классификации, которая 
не является однозначной. Как показала история развития физики, некоторые из этих 
коэффициентов  оказались  особо  значимыми  для  науки.  Такие  коэффициенты 
называют  универсальными,  фундаментальными  постоянными.  При  этом  их 
принадлежность  к  данному  классу  также  неоднозначна.  Универсальные  и 
фундаментальные  постоянные  иногда  объединяют  в  одну  группу  универсальных. 
«Универсальные  физические  постоянные  –  это  величины,  входящие  в  качестве 
количественных  коэффициентов  в  математические  выражения  фундаментальных 
физических законов или являющиеся характеристиками микрообъектов.» [1, с. 6]. Но 
в  современной  физике  принято  из  универсальных  выделять  фундаментальные 
константы,  к  которым  относят  гравитационную  постоянную,  постоянную  Планка, 
скорость света и некоторые другие. В таблице 1. приведен перечень универсальных 
физических  постоянных  согласно  [1],  в  который  автор  включает  11  констант 
наиболее  широко  используемые  в  учебном  процессе в школе. 

 
 
 
 
 
 
 
              
БҚМУ 
 
Хабаршысы  №4-2015ж.  
 
 
100 
 
Таблица 1. Универсальные физические постоянные [1, с. 6] 
Наименование постоянной 
Обозначение 
Числовое значение 
Гравитационная постоянная 
G 
6,6720(41) •10
-11
 Н•м
2
/кг
2
  
Постоянная Авогадро 
N
A
 
6,022045(31)•10
23
 моль
-1
 
Постоянная Больцмана 
k 
1,380662(44)•10
-23 
Дж/К 
Постоянная Фарадея 
F 
9,648456 ·10
4
 Кл/моль 
Заряд электрона 
е 
1,6021892(46) 10
-19
 Кл 
Масса покоя: 
Электрона 
m
e
 
9,109534(47) •10
31
кг  
протона; 
m
p
 
1,6726485(86)•10
-27
 кг  
Нейтрона 
m
n
 
1,6749543•10
-27
 кг 
Скорость света в вакууме 
с 
2,99792458•10
8
 м/с 
Постоянная Планка 
h 
6,626176(36)•10
-34 
Дж•с 
Постоянная Ридберга 
 
1,097373177 · 10
-7
 м
-1
 
 
Автор  [1]  рассматривает  возможность  разделения  приведенных  в  таблице 
констант  на  две  группы.  К  первой  относятся  постоянные,  применяющиеся  при 
описании  физических  явлений  в  мире,  доступном  нашему  непосредственному 
наблюдению,  так  называемом  макромире.  Например,  гравитационная  постоянная 
входит  в  Закон  всемирного  тяготения  и  является  количественной  характеристикой 
важнейшего и универсального явления природы – притяжения тел друг другом. Силы 
тяготения  определяют  законы  движения    таких  крупных  физических  объектов,  как 
планеты, звезды. Это движение можно легко наблюдать как невооруженным глазом, 
так  и  с  помощью  простейших  телескопов.  Константы  второй  группы  являются 
характеристиками  мельчайших  частиц,  микромира,  например  заряд  и  масса 
электронов,  протонов.  Эти  микрочастицы  недоступны  нашему  непосредственному 
наблюдению,  но  ученые  изучают  законы  их  движения  теоретически  и  используя 
достижения современной физики. 
Важно  подчеркнуть  то,  что  все  физические  постоянные  являются 
объективными  характеристиками  окружающего  нас  мира.  В  природе  микро  и 
макромир существуют в единстве. Частицы микромира, атомы и молекулы, образуют 
макротела,    макромир.  Единство  окружающего  нас  мира  неизбежно  предполагает 
взаимосвязанность 
физических 
законов, 
взаимосвязанности 
физических 
характеристик  мира,  в  том  числе  универсальных  постоянных.    Связи  между 
некоторыми константами установлены, поиск других связей является одной из задач 
современной  физики.  Например,  ведется  поиск  связи  гравитационной  постоянной, 
введенной  в  макромире  с  постоянной  Планка,  входящей  в  описание  процессов 
микромира.  Поэтому  рассмотренную  классификацию  автор  считает  не  вполне 
удовлетворительной. 
Универсальные  физические  постоянные  можно  классифицировать  и  по 
разделам  физики:  в  механике  –  гравитационная  постоянная,  скорость  света  в 
вакууме;  в  молекулярной  физике  –  постоянная  Больцмана,  постоянная  Авогадро, 
универсальная  газовая  постоянная;  в  электричестве  –  заряд  электрона,  постоянная 
Фарадея;  в  оптике  –  постоянная  Планка,  постоянная  Ридберга  и  в  физике 
элементарных  частиц  –  массы  покоя  электрона,  протона,  нейтрона.  Некоторые  из 
этих  универсальных  физических  постоянных  входят  в  различные  фундаментальные 
теории,  относящиеся  к  различным  разделам  физики.  Поэтому  такая  классификация 
также  не  является  удовлетворительной.  Она  может  быть  использована  в  учебном 
процессе только с некоторым приближением. 
В  справочнике  по  физике  [2,  с.  33]  и  в  некоторых  других  справочникахв 

 
 
 
 
 
 
 
              
БҚМУ 
 
Хабаршысы  №4-2015ж.  
 
 
101 
таблицу «Физические постоянные» кроме названныхвыше, приводятся и постоянные, 
относящиеся  к  определенным  разделам  физики:  нормальное  ускорение  свободного 
падения,  магнитная  и  электрическая  постоянная,  постоянная  (число)  Фарадея, 
постоянные  Стефана  –  Больцмана  и  закона  смещения  Вина,  постоянная(число) 
Лошмидта,  длина  волны  желтой  линии  в  спектре  натрия,  атомная  единица  массы, 
отношение массы протона к массе электрона, радиус Бора, магнетон Бора и др. 
Из  физических  постоянных,  приводимых  в  различных  источниках,  можно 
выделить  постоянную  Планка,  которая  определяет  границу  между  классической  и 
современной 
квантовой 
физикой, 
являясь 
неотъемлемым 
элементом 
последней.Многие другие постоянные используются и в классической и в квантовой 
[3,  с.  31].  Открытие  постоянной  Планка  связано  с  решением  проблем  излучения 
черного  тела,  зависимости  теплоемкости  от  температуры,  фотоэлектрического 
эффекта, проблемы стабильности  атома. Достичь  успеха  оказалось невозможным в 
рамках 
фундаментальных 
классических 
теорий: 
механики 
Ньютона 
и  
электродинамики  Максвелла.  Результатом  исследований  стало  рождение  квантовой 
физики  в  конце  19  века  и  квантовой  механики  в  первой  четверти  20  века,  в 
содержании которых постоянной Планка принадлежит определяющая роль. 
Из  числа  универсальных  постоянных  выделяют  группу  фундаментальных 
постоянных,  которые  играют  особую  роль  в  современной  физике,  в  теории 
фундаментальных взаимодействий, включающей сильное, электромагнитное, слабое, 
гравитационное  взаимодействия.  С  фундаментальными  физическими  постоянными 
связана  единая  теория  поля.  К  таким  постоянным  относят  гравитационную 
постоянную  G,  определяющую  фундаментальные  гравитационные  взаимодействия, 
постоянную  Планка ,  как  основу  квантовой  физики.К  фундаментальным 
постоянным  относят  также  минимальный  электрический  заряд  (квант  заряда  е),    и 
скорость  света  с  (скорость  электромагнитных  волн  в  вакууме),  которая,  является 
коэффициентом  в  волновых  уравнениях  электромагнитного  поля  Максвелла  и 
предельной  скоростью  материальных  объектов,  согласно  теории  относительности 
Эйнштейна. Рассматривая неоднозначность классификации физических постоянных, 
можно  отметить  таблицу  физических  постоянных,  приводимую  в  [4].  Таблицу  под 
общим  названием  «Физические  постоянные»  автор  делит  на  две  группы: 
«Фундаментальные  константы»  и  «Другие  важные  постоянные  и  отношения».  При 
этом  перечень  фундаментальных  постоянных  совпадает  с  общепринятым,  а  в 
перечень «важных» постоянных автор включает постоянные, наиболее значимые при 
рассмотрении  вопросов  современной  физики:  атомная  единица  массы  и  ее 
энергетический  эквивалент,  энергетический  эквивалент  массы  покоя  электрона, 
магнетон  Бора,  тепловая  энергия на  1К  и  др.  К  «важным»  соотношениям отнесены 
следующие:  связь  длины  волны  фотона  с  заданной  энергией,  выраженной  в    эВ, 
длины  волны  электрона  с  нерелятивистской  кинетической  энергией  (эВ),  энергии 
уровней  водородоподобных  атомов,  характерный  размер  водородоподобных  атомов 
и др. 
Глубокое  изучение  универсальных  физических  постоянных  оказывается 
принципиально  необходимым  для  понимания  развития  науки.  В  настоящее  время, 
когда  знакомство  сфизическими  постоянными  происходит  на  самых  начальных 
этапах изучения физики, трудно представить себе,  что менее 350 лет назад не было 
известно  ни  одной  физической  постоянной.  В  физической  науке  первая 
константабыла  введена  в  физику  И.  Ньютоном  в  1687  году.  Этой  константой  была 
гравитационная  постоянная,    значение  которой  впервые  измерено  Г.  Кавендишем 
только  в  1793  году,  то  есть  более  чем  через  100  лет  после  ее  введения.  Этот  год 
можно  по  праву  считать  годом  рождения  таблицы  универсальных  физических 
постоянных.  [1]  Датой  рождения  постоянных  в  физической  науке  можно  считать  и 
1687  год,  то  есть  год    введения 
гравитационной  постоянной    И. 

 
 
 
 
 
 
 
              
БҚМУ 
 
Хабаршысы  №4-2015ж.  
 
 
102 
Ньютоном.  Заряд  и  масса  электрона  были  определены  в  1897  году  после  открытия 
электрона Дж. Томсоном. В 1932 году в таблицу включена масса нейтрона. 
Развитие  физической  науки  сопровождалась  введением  новыхпостоянных, 
различных по своей значимости и области применения. Поэтому таблицу постоянных 
нельзя  считать  завершенной,  также  как  не  может  быть  завершенной  физическая 
наука. В тоже время сами универсальные физические постоянные являются важной 
научной проблемой. Одним из вопросов стоящих перед учеными, является вопрос о 
том, каково количество фундаментальных констант, то есть, сколько их может быть 
еще открыто. Важным является и вопрос о константах, характеризующих макромир и 
микромир.  Принципиальное  единство  природы  отражается  в  связи  между  этими 
константами,  например,  константа  Больцмана  определяется  через  универсальную 
газовую  постоянную  и  постоянную  Авогадро.  Для  нахождения  единого  пути 
описания  природы  важен  поиск  взаимной  связи  гравитационной  постоянной, 
постоянной Авогадро, скорости света, заряда электрона и постоянной Планка.  Перед 
наукой  стоит  вопрос  и  о  возможности  теоретического  определения  численного 
значения  фундаментальных  постоянных.    Физическая  теория  не  может  считаться 
завершенной,  если  из  нее  не выводится  фундаментальные  константы.  А.  Эйнштейн 
предлагал один из путей решения проблемы постоянных.  Он предлагает исключить 
постоянные,  имеющие  размерность,  заменить  их  другими  постоянными  – 
безразмерными отношениями. Если  это будет  выполнено, то в основные уравнения 
физики будут входить лишь «безразмерные» постоянные. А. Эйнштейн считает, что 
законы природы определяются чисто логическими требованиями.В выражения этих 
законов  должны  входить  только  постоянные,  допускающие  теоретическое 
определение.  Численные  значения  таких  постоянных  нельзя  менять,  не  разрушая 
теории. А это возможно, если постоянные являются безразмерными[1]. 
В  современной  науке  ставится  вопрос  о  том,  являются  ли  величины, 
принимаемые  в  науке  запостоянные,  действительно  постоянными.  Согласно 
современным  данным  возраст  нашей  Вселенной  составляет  10  –  12  млрд.  лет,  или 
примерно 10
17
  с.  Ни  год,  ни  секунда  не  являются  во  Вселенной  фундаментальными 
величинами.  В  качестве  безразмерной  величины  единицы  времени  используется 
единица, полученная от деления размеров элементарных частиц 10
-12 
см на скорость 
света  3·10
10 
см/с.  Если  эту  величину  порядка  10
-23
с    принять  за  новую  условную 
единицу  времени,  то  безразмерный  возраст  Вселенной  будет  равен  10
40
.  Легко 
показать,  что  отношение  силы  электромагнитного  взаимодействия  к  силе 
гравитационного взаимодействия также равно 10
40
. В связи с этим  возникает вопрос 
о причине того, почему фундаментальное для физики отношение сил взаимодействия 
оказалось  численно  совпадающим  с  возрастом  Вселенной?  Отношение  размера 
Метагалактики (~10
28
см) к размерам элементарных частиц оказывается также равным 
10
40
. Английский ученый П. Дирак, анализируя эти совпадения, делает вывод о том, 
что  увеличение  возраста  Вселенной  сопровождается  ослаблением  гравитационного 
взаимодействия.  Это  означает  уменьшение  гравитационнойпостоянной  с  течением 
времени.  Расчеты  показывают,  что  уменьшение  составляет  около  одной 
десятимиллиардной  доли  в  год.  Эти  ожидаемые  изменения  настолько  малы,  что 
точность  современных  экспериментальных  методов  не  может  подтвердить  или 
опровергнуть  данную  теорию.  Решение  может  дать  совершенствование  техники 
эксперимента  [1.  с.  157].  Известны  также  и  гипотезы  о  возможном  изменении 
(уменьшении)  с  течением  времени  постоянной  Планка.    Рассмотрение  физических 
постоянных приводит к выводу о том, что дальнейшее их исследование тесно связано 
с  содержанием  теорий  фундаментальных  взаимодействий,  с  построением  единой 
теории, объясняющей свойства окружающего нас микро и макромира, Вселенной. 
Рассматривая  физические  постоянные,  следует  обратить  внимание  на  то,  что 
они  относятся  к  категории  философских  и 
физических  понятий.  В  философии 

 
 
 
 
 
 
 
              
БҚМУ 
 
Хабаршысы  №4-2015ж.  
 
 
103 
понятие  определяется  как  «мысль,  отражающая  в  обобщенной  форме  предметы  и 
явления  действительности  и  связи  между  ними  посредством  фиксации  общих  и 
специфических  признаков,  в  качестве  которых  выступают  свойства  предметов  и 
явлений    и  отношения  между  ними»  [5,  с.  513].  Этому  определению  вполне 
соответствуют  используемые  в  физике  постоянные  величины.  Они  имеют 
определенные  содержание  и  объем.  Содержание  физического  понятия  определяет 
совокупность  признаков  предметов,  отраженных  в  данном  понятии,  а  объем  – 
множество предметов, которые обладают  признаками, относящимися к содержанию 
данного  понятия.  Например,  гравитационная  постоянная  отражает  свойство 
(признак) предметов притягиваться друг к другу. Объем данного понятия включает в 
себя  множество  предметов,  обладающих  гравитационной  массой.    Постоянная 
Планка определяет квант действия. К ее объему относится широкий круг физических 
явлений,  для  которых  существенно  дискретность  величин  с  размерностью 
«действия»  (Дж·с.).  Содержание  постоянной  «скорость  света»  -  скорость 
электромагнитных  волн  (фотонов)  в  вакууме,  предельная  скорость  материальных 
объектов.  В  ее  объем  входят  объекты  с  нулевой  массой  покоя.  Физические 
постоянные, как правило, величины размерные. Размерность определяется основной 
формулой,  определяющей  данную  физическую  величину  (для  гравитационной 
постоянной  –  закон  Всемирного  тяготения,  для  постоянной  Планка  –  формула 
Планка для кванта электромагнитного излучения и т.п.). 
При  рассмотрении  фундаментальных  постоянных  в  учебном  процессе 
целесообразно  выделить  3  аспекта:  история  введения  константы,  методы  ее 
определения и область применения. Далее представлена краткая история введения в 
физическую  науку  гравитационной  постоянной  (постоянная  Ньютона),  постоянной 
Планка  и  скорость  света  (постоянная  Эйнштейна),  как  фундаментальных 
постоянных. 

жүктеу/скачать 3,87 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: