Основные естественные системы единиц измерения

В 1899 г. М. Планк предложил систему единиц, в основу которой были положены гравитационная постоянная G, скорость света c и двух введенных им новых постоянных теории теплового излучения a и b (они отличаются от современных постоянных h/k и h на безразмерные множители). Первоначально планковские единицы были введены в докладе, сделанном 18 мая 1899 года на заседании Академии наук в Берлине и посвящённом обзору теории явлений теплового излучения, рассматриваемых с точки зрения электромагнитной теории света, и значению второго начала термодинамики в ней.

В 1900 году Макс Планк предложил новый закон излучения (закон Планка), в котором фигурировали две новые постоянные h и k. В 1906 году Планком была предложена система на основе постоянных c, G, h и k. Ныне под планковской системой понимается система единиц, в которой в качестве единиц выбраны следующие константы:

ħ — постоянная Дирака (постоянная Планка, делённая на 2π)

c — скорость света (электродинамическая постоянная)

G — гравитационная постоянная

k — постоянная Больцмана

1/4πε0 — коэффициент пропорциональности в законе Кулона, где ε0 — электрическая постоянная.

 

Постоянная Планка h представляет собой элементарный квант физической величины, которую впоследствии американский физик Р. Фейнман назвал “действием“.

При построении естественных систем единиц фундаментальные постоянные, выбранные в качестве основных единиц, формально полагаются равными безразмерной единице. С учетом этого естественную систему единиц Планка можно охарактеризовать соотношением

h = c = G = k = 1.

 

Кроме системы Планка также известны:

- система Хартри, называемая также системой атомных единиц, характеризуемая соотношением

e = me = ħ = 1;

Хартри разработал «систему атомных единиц», в которой за основные приняты заряд электрона, масса электрона, радиус первой боровской орбиты атома водорода и постоянная Планка. В этой системе единиц уравнения ядерной физики освобождаются от лишних числовых множителей и приобретают более простой вид.

 

- релятивистская система единиц, используемая в квантовой электродинамике и характеризуемая соотношением

с = me = ħ = 1.

Основными единицами являются постоянная Планка, скорость света и масса какой-либо элементарной частицы (электрона или протона). В качестве четвертой единицы принимают постоянную Больцмана. Иногда используется для релятивистской квантовой механики.

 

Предлагались и другие «естественные системы единиц», но все они широкого распространения не получили. Основная причина ограниченного применения подобных систем в том, что точность измерений предлагаемых констант не обеспечивает требуемого уровня точности установления ряда основных и производных единиц.

 

Удобство введенных естественных систем единиц состоит в том, что параметры атомных объектов в этих системах по размеру не сильно отличаются от единицы, и в то же время упрощаются основные уравнения теории.

Производные величины в естественных системах единиц являются комбинациями из основных величин. При этом оказывается, что с заданной размерностью из основных величин можно получить только одну комбинацию, которая и образует производную величину с заданной размерностью.