Появление и роль фундаментальных физических постоянных

Появление фундаментальных физических постоянных (ффп) явилось закономерным результатом развития физики. Открытие и осознание фундаментального статуса таких постоянных, как c и h, привело к квантово-релятивистской перестройке всей физики, а классические теории оказались лишь предельным случаем более общих теорий, основанных на фундаментальности тех или иных постоянных.

Постоянная c была открыта в конце XVII – начале XVIII вв. как специфическая характеристика света – ее скорость распространения. Статус c существенно вырос после опыта В. Вебера и Р. Кольрауша (1856) и последовавшем затем объединении электричества и магнетизма и создании электромагнитной теории света (Максвелл, 1860-е гг.). Дальнейшее развитие физики (открытие релятивистских преобразований, отрицательные результаты опытов по обнаружению абсолютного движения) закономерно привело к отказу от абсолютности пространства и времени, к установлению фундаментальности скорости света, операциональному определению одновременности, реабилитации принципа относительности с учетом фундаментальности c (принцип релятивистской инвариантности), открытию связи пространства и времени и переформулировке классической механики и других теорий на этой основе (Г. Лоренц, А. Пуанкаре, А. Эйнштейн, Г. Минковский).

Постоянные Планка h и Больцмана k появились в 1900 г. в результате исследования взаимодействия теплового излучения с веществом как размерные коэффициенты в законе теплового излучения. Постоянные, вводившиеся другими учеными в 1890-е годы в связи с предлагавшимися ими законами теплового излучения, являются комбинациями постоянных h, k и c и математических постоянных. В дальнейшем выяснилась эвристическая роль постоянной Планка в объяснении фотоэффекта (Эйнштейн) и теории строения атома (Бор). Дальнейшее развитие физики закономерно привело к пересмотру основ классической механики и созданию в 1925-27 гг. квантовой механики, в которой постоянная Планка играет фундаментальную роль.

Постоянная e (элементарный заряд) появилась в результате открытия законов электролиза с учетом концепции атомарного строения вещества. Роль элементарного заряда выросла в связи теорией атома и атомного ядра (квантование заряда ядра в единицах e) и с развитием физики элементарных частиц (все свободные частицы имеют заряды, кратные e). Квантование заряда в единицах e ставит элементарный заряд в один ряд с постоянными c и h в связи с их ролью естественных масштабов физических величин. В то же время, появление e, в отличие от постоянных c и h, не привело к пересмотру оснований физических теорий и их модификации.

Гравитационная постоянная в законе всемирного тяготения появилась не ранее начала XIX века, после реформы системы мер во Франции в конце XVIII века. Возможно, первым ее ввел С.Д.Пуассон в "Трактате по механике" (1811).

Опыт Кавендиша был поставлен с целью определения средней плотности Земли, а не гравитационной постоянной, понятия которой в то время еще не существовало.

Однако этот опыт открыл возможность определения численного значения гравитационной постоянной в практических единицах. Гравитационная постоянная рассматривается ныне как такая же фундаментальная постоянная, как c и h, в связи с ролью планковских величин как границ применимости основных физических теорий.

В настоящее время:

1. выполнен анализ научной терминологии, связанной с ф.ф.п. Выявлено и проанализировано использование пяти основных терминов – фундаментальные, универсальные, абсолютные, естественные и мировые постоянные. Если в первой половине XX в., как правило, использовался термин "универсальные постоянные", то во второй половины XX в. более широкое распространение получил термин "фундаментальные постоянные".

2. проанализированы различные определения "фундаментальных" ("универсальных") постоянных и на их основе выделены основные свойства ф.ф.п.

3. показано, что определения, даваемые ф.ф.п., связаны с научными интересами самих авторов и отражают различные свойства ф.ф.п., поэтому они должны рассматриваться не как исключающие, а как дополняющие друг друга.

4. исследована роль фундаментальных постоянных во взаимоотношении между физическими теориями, а также модели развития физики, построенные на идее принципа соответствия между физическими теориями и предельного перехода между теориями по соответствующим фундаментальным постоянным.

Наиболее общепринятой моделью является "куб теорий" Зельманова, наряду с ней существуют модели, точнее отражающие объединение теорий взаимодействий.

5. исследована роль фундаментальных постоянных в метрологии, представлен наиболее полный обзор естественных систем единиц, показана закономерность перехода от измерения постоянных к квантовой метрологии и возможность создания единой естественной системы единиц.

Многообразие различных физических теорий и гипотез XX в. можно условно разделить по их отношению к фундаментальным постоянным на следующие основные исследовательские программы (исследовательские стратегии): программа фундаментальных констант (и как ее часть – редукционистская программа); и альтернативные: "пифагорейская" программа обоснования численных значений постоянных; программа переменных "констант"; антропная программа.

Возникновение альтернативных программ связано с трудностями программы фундаментальных постоянных и основано на ослаблении критериев, предъявляемых к физической теории – теоретической корректности и точного соответствия экспериментальным данным.

Попытки "насильственного" введения новых размерных фундаментальных постоянных, связанных с полем, длиной, массой, плотностью и т. д. пока не привели к реальному прогрессу физического знания. Развитие физики достаточно успешно осуществлялось без введения новых размерных фундаментальных постоянных. Однако в квантовой хромодинамике появилась размерная постоянная – энергия конфайнмента кварков, естественная мера энергии, рассматриваемая некоторыми учеными как фундаментальная постоянная; а в физике элементарных частиц естественной мерой массы выступает вакуумное среднее. В то же время в результате открытия квантования магнитного потока и квантового эффекта Холла были открыты фундаментальные магнитный поток Фo, проводимость H и сопротивление RH, являющиеся комбинациями уже известных фундаментальных постоянных c, и e.

Развитие различных программ должно вести к созданию единой физической теории ("теории всего"), основанной на полном наборе ф.ф.п., необходимом для эталонирования всех физических величин. Эта теория должна объяснять все безразмерные постоянные, а также предлагать тот или иной способ объяснения "больших чисел".