Історія, зарубіжний та вітчизняний досвід, перспективи розвитку природничо-математичної, технологічної та професійної освіти

Херсонський державний університет

Кузьменков Сергій

Відкриття фундаментальних констант можна вважати одним із видатних досягнень сучасної фізики. Цілком можна погодитись з К.О. Томіліним, що фундаментальні фізичні константи – один із найважливіших елементів сучасної фізичної картини світу. «Еволюція цього поняття безпосередньо пов’язана з еволюцією фізики і відображає головну закономірність розвитку фізичного знання – перехід від класичної фізики, що не містила сталих, які мали фундаментальний статус, до сучасної фізики, в якій центральну роль грають фундаментальні сталі» [1].

За твердженням К.О. Томіліна [1] на сучасному етапі розвитку фізики домінує дескриптивний підхід до визначення фундаментальних констант – їм не дається визначення, а просто перелічується низка деяких фізичних сталих, яким за визначенням надається статус фундаментальних.

Водночас деякі автори під час визначення фіксують певні властивості фундаментальних констант. Підсумуємо ці визначення услід за Томіліним, але скоротимо цей перелік, визначивши, на нашу думку, найголовніше. Отже, фундаментальні константи [1]:

1) є універсальними параметрами, тобто такими, що не залежать від специфічних умов і зберігають своє значення для усього Всесвіту;

2) описують властивості елементарних частинок;

3) присутні у фундаментальних фізичних законах як коефіцієнти пропорційності;

4) є фундаментальними природними масштабами відповідних фізичних величин;

5) пов’язані з різними фізичними теоріями, що описують різні явища, і визначають область застосовності теорії.

Щодо «універсальності» (пункт 1), то, з одного боку, характеристика деяких сталих як універсальних була первісно пов’язана з універсальністю фізичних законів, в яких вони фігурували (наприклад, закон всесвітнього тяжіння). Проте згодом виявилось, що усі класичні закони не універсальні, а мають певну область застосування. При цьому межі справедливості класичних теорій іноді визначають саме фундаментальні константи (наприклад, стала Планка або швидкість світла). З іншого боку, розуміння універсальності пов’язано з незалежністю від природи і параметрів об’єктів і зовнішнього середовища.

Щодо пункту 2, то він породжує багато запитань. Чи всі характеристики мікрооб’єктів фундаментальні? Наприклад, борівська енергія або борівський радіус? Або, як справедливо зазначає О.П. Спірідонов [2], характеристикою якого мікрооб’єкта є магнетон Бора? І взагалі, мікрооб’єктів відомо надто багато. Які з них вважати більш важливими, щоб їх характеристикам надати статус фундаментальних?

Пункт 3 також сумнівний, адже які фізичні закони слід відносити до фундаментальних? Мабуть, до фундаментальності закону всесвітнього тяжіння або закону Кулона питань немає. Проте, чи можна вважати фундаментальними закони електролізу Фарадея або закон зміщення Віна? Мало того, що відсутні критерії фундаментальності законів, так ще й виходить, що одне поняття визначається через інше – не менш невизначене.

Що стосується пункту 4, то так, дійсно швидкість світла в вакуумі c можна вважати природною одиницею швидкості – жоден матеріальний об’єкт не може перевищити цю швидкість. Заряд електрона e можна вважати природною одиницею електричного заряду, оскільки будь-який заряд є цілим кратним e (заряди кварків є дробовими, але вони у вільному стані не трапляються). Сталу Планка ħ також можна вважати природною одиницею для моменту імпульса і спіна мікрочастинок. Проте як бути з гравітаційною сталою G і, наприклад, сталою Габбла H0 – питання відкрите.

Згідно з пунктом 5 відповідність між фундаментальною константою і фізичною теорією спричиняє її появу в рівняннях цієї теорії [1] (пункт 3). Однак даним пунктом встановлюється більш жорстка відповідність: одна константа – одна теорія, що, на нашу думку, є певною вадою (згадайте, наприклад, ЗТВ). Ключовим же у пункті 5 є те, що фундаментальні константи визначають межі застосовності цих теорій. Проте кількість виключень з цього правила надто велика.

Ми погоджуємось з невтішним висновком О.П. Спірідонова [2]: у науковій і навчальній літературі відсутнє єдине й чітке визначення фундаментальності фізичних сталих. Слова Спірідонова про «найбільш загальні, основоположні властивості спостережуваного Всесвіту» [2], які відображають фундаментальні константи, потребують уточнення і конкретизації. Потрібні чіткі критерії, за якими певні фізичні константи можна відносити до фундаментальних, а інші – ні.

У зв’язку з цим ми пропонуємо своє визначення поняття «фундаментальна фізична константа». Враховуючи вище сказане, фундаментальними, на нашу думку, слід вважати константи, які, по-перше, не можна виразити через інші константи (незалежність констант); а, по-друге (і це, на наш погляд, є ключовим), варіації (уявні) числових значень цих констант спричиняють значні (кардинальні і навіть катастрофічні) зміни у нашому Всесвіті. З цього погляду фундаментальними слід вважати наступні константи: c, G, ħ, e, H0, маси протона, нейтрона і електрона, розмірність простору.

СПИСОК ДЖЕРЕЛ

1. Томилин К.А. Фундаментальные физические постоянные в историческом и методологическом аспектах. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. 368 с.

2. Спиридонов О.П. Фундаментальные физические постоянные: учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1991. 238 с.