基本物理常數

基本物理常數

基本物理常數的發現和測量，在物理學的發展中起了很大的作用。縱觀近代物理學史可以看到，一些重大的物理現象的發現和物理理論的創立，常常同基本物理常數的發現或準確測定有著密切的聯繫。例如，電子的發現是通過對電子的荷質比的測定獲得的;M.普朗克建立量子論的同時，發現了普朗克常數;狹義相對論的出發點之一就是真空中的光速不變；等等。由此可見，基本物理常數出現於許多不同的物理現象之中，每一種物理現象的規律都與同一種確定的常數有關。

物理學發展到今天，形成了許多分支，如固體物理學、原子物理學、原子核物理學、粒子物理學、天體物理學等等，包括大至宇宙、小至基本粒子的廣闊領域。但是物理學的這些分支都是用統一的物理理論結合在一起的，這些基本理論有經典電動力學、相對論（見狹義相對論、廣義相對論）、統計力學（見統計物理學）、量子力學等。這些理論的定量預言的準確程度，依賴於在理論中出現的基本物理常數值的準確性。特別重要的是，仔細研究由物理學不同領域的實驗所確定的這些常數值，能逐個考察物理學一些基本理論的一致性和正確性。由於應用了高穩定激光、約瑟夫森效應、X射線干涉術、量子霍耳效應等許多新方法，使基本物理常數測量的準確度有所提高，很多常數的測量準確度已達量級，更高的可達量級。常數的準確值增加一位，就會有可能發現物理學中前所未知的矛盾，或獲得解決目前所存在的某個矛盾的線索。

基本物理常數的重要性還表現在定義計量單位從而建立計量基準的工作上。普朗克早在1906年就建議用基本常數來定義計量基本單位，由於當時常數的測量準確度還很低，這個願望不能實現。60年代以來，隨著常數值的準確度不斷提高，上述建議就有了現實意義。如由於可同時準確測量高穩定激光波長和頻率，就能夠通過來準確定出真空中的光速,長度單位可以通過時間單位（頻率的倒數）和光速導出；與此類似，通過公式（式中為質子回磁比）可以由頻率通過 導出磁感應強度,從而確定電流單位；在交流約瑟夫森效應中，由於,即可由頻率單位通過的SI制的值來確定電壓單位；等等。可以看到，現在計量基準的發展趨勢就是利用目前準確度最高的頻率單位，通過有關的基本物理常數來定義其他的基本或導出單位。因此，未來的基本單位的定義和準確度在一定程度上依賴於基本物理常數的測定值和準確度。

在常數的數據處理中，多年來國際上一直採用最小二乘法平差來得出常數的一組最佳值。用這種方法可盡量減少常數最佳值的偶然誤差，但並不能消除測量中的系統誤差。

基本常數的平差是1929年R.T.伯奇首先進行的，他的工作一直繼續到1945年。後來三次平差是J.W.M.杜蒙和E.R.科恩進行的。1969年，B.N.泰勒等人根據交流約瑟夫森效應測量的e/h值以及其他有關常數值，結合量子電動力學的理論研究，作出了新的平差。

70年代以來，基本常數的平差工作，是在國際科學協會科學技術數據委員會（簡稱）的基本常數工作組的直接主持下進行的。有 7個國家的專家參加了這項工作，由科恩和泰勒根據各國積累的實驗數據具體分析編纂而得。1973年他們曾正式發表了一組國際推薦的基本常數表，稱為1973年平差（此表載於J.Phys. Chem.Ref. Data， Vol. 2, No. 4，p. 741，1973和 CODATA Bulleting，No. 11，1973）。

由於基本常數領域中工作的不斷進展，常數數值也會不斷更新，因此在大約十年左右將進行一次基本常數的新的平差，由此獲得新的國際推薦值。1986年完成了一次平差。它是由CODATA基本常數任務組的泰勒和科恩負責編纂的。與1973年常數平差的國際推薦值相比，1986年平差的國際推薦值的不確定度有了明顯的減小。大多數常數的不確定度減小一個量級。基本物理常數的1986年推薦值列於表1、續表、續表、續表，能量轉換因子列於表2。

近年來，根據天文和地球物理的觀測資料，一些物理學家提出了基本物理常數可能隨時間變化的理論推測。這些推測可能有助於推動物理學家和計量學家去對基本物理常數進行更精密的實驗測量。但迄今為止，上述理論推測的論點還是不充分的，實驗上也沒有能夠證實基本物理常數有隨時間的變化。