淺析基本物理常數(shù)的科學(xué)認(rèn)識

淺析基本物理常數(shù)的科學(xué)認(rèn)識

摘要:基本物理常數(shù)是物理學(xué)中的一些普適常數(shù)，是人類在探索客觀世界基本運動規(guī)律的過程中提出和確定的基本物理常量。這些常數(shù)與自然科學(xué)的各個分支有著密切的聯(lián)系，物理學(xué)中許多劃時代理論的創(chuàng)立和新研究領(lǐng)域的開辟，往往與某個基本物理常數(shù)的發(fā)現(xiàn)或準(zhǔn)確測定密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞:物理常數(shù);光速;普朗克常數(shù)

基本物理常數(shù)是物理學(xué)中的一些普適常數(shù)，是人類在探索客觀世界基本運動規(guī)律的過程中提出和確定的基本物理常量。這些常數(shù)與自然科學(xué)的各個分支有著密切的關(guān)系，在科學(xué)理論的提出和科學(xué)試驗的發(fā)展中起著很重要的作用。基本物理常數(shù)包括牛頓引力常數(shù)G、真空中的光速C、普朗克常數(shù)h、基本電荷e、電子靜止質(zhì)量Me、阿伏伽德羅常數(shù)Na等。

物理學(xué)中許多新領(lǐng)域的開辟以及重大物理理論的創(chuàng)立，往往與相關(guān)基本物理常數(shù)的發(fā)現(xiàn)或準(zhǔn)確測定密切相關(guān)?；疚锢沓?shù)描繪和反映了物理世界的基本性質(zhì)和特征，它們?yōu)椴煌I(lǐng)域的區(qū)分提供了定量的標(biāo)準(zhǔn)?；疚锢沓?shù)的測定及其精度的不斷提高，經(jīng)歷了漫長的歷史時期，生動地反映了實驗技術(shù)和測量方法的發(fā)展與更新，現(xiàn)在，許多基本物理常數(shù)的精度已達(dá)10-6量級，有的甚至達(dá)到10-8～10-10量級。本文限于篇幅，僅以光速C和普朗克常數(shù)h為例來說明。

光速是光波的傳播速度，原與聲波、水波等的傳播速度類似，并不具有任何“特殊的”的地位。但細(xì)分析起來，光速也似乎確有一些特殊之處。其一是光速的數(shù)值非常大，遠(yuǎn)非其他各種波動速度所能比擬；其二是光波可以在真空中傳播，而其他波動則離開了相應(yīng)的彈性介質(zhì)便不復(fù)存在，由此引來了關(guān)于以太的種種爭論。

1865年麥克斯韋建立了電磁場方程組，證明了電磁波的存在，并推導(dǎo)出了電磁波的速度Ｃ等于電流的電磁單位與靜電單位之比。1849年斐索用實驗測出光在空氣中的傳播速度為C=×108米/秒。分屬光學(xué)和電磁學(xué)的不相及的兩個傳播速度C電磁波與C光波之間出乎意料的驚人相符，使麥克斯韋立即意識到光波就是電磁波。于是，以C為橋梁把以前認(rèn)為彼此無關(guān)的光學(xué)與電磁學(xué)統(tǒng)一了起來。同時，由于電磁波傳播依賴的是電磁場的內(nèi)在聯(lián)系，無需任何彈性介質(zhì)，使得“以太”的存在和不存在沒有什么差別，不需要強加在它身上種種性質(zhì)。至此，光速C的地位陡然升高。

麥克斯韋電磁場理論揭示了電磁場運動變化的規(guī)律，統(tǒng)一了光學(xué)與電磁學(xué)，開創(chuàng)了物理學(xué)的新時代。但同時它也提出了新的更深刻的問題：麥克斯韋方程組只適用于某個特殊的慣性系還是適用于一切慣性系。如果麥克斯韋方程組只適用于某個特殊的慣性系，則不僅違背相對性原理，且該慣性系就是牛頓的絕對空間，地球相對它運動將受到以太風(fēng)的吹拂，然而試圖探測其影響的Michelson-Mor1ey實驗卻得出了否定的結(jié)果。如果麥克斯韋方程組適用于一切慣性系，則根據(jù)伽利略變換得出的經(jīng)典速度合成規(guī)律，在不同慣性系中的光速應(yīng)不同，甚至?xí)霈F(xiàn)違背因果關(guān)系的超光速現(xiàn)象，也難以解釋?？傊?，對于麥克斯韋電磁場理論，伽利略變換和相對性原理之間存在著不可調(diào)和的深刻矛盾。直至1905年EinstEIn以相對性原理和光速不變原理為前提，并借助洛倫茲變換方程建立起狹義相對論之后，這一切矛盾和困惑才最終得以解決。

由此可見，真空中的光速C從光波的速度上升為一切電磁波的傳播速度之后，又進一步成為一切實際物體和信號速度的上限，并且在任何慣性系中C的取值都相同。C作為基本物理常數(shù)，提供了不可逾越的速度界限，從根本上否定了一切超距作用，成為相對論和新時空觀的鮮明標(biāo)志，同時又成為是否需要考慮相對論效應(yīng)的定量判斷標(biāo)準(zhǔn)。

1900年普朗克為解釋黑體輻射，提出諧振子能量不連續(xù)的大膽假設(shè)。1905年EinstEIn為解釋光電效應(yīng)，把能量子假設(shè)推廣到電磁波，提出“光量子”。1924年德布羅意通過粒子與波的對比，假設(shè)微觀粒子也具有波動性，也就是波粒二象性，設(shè)其動量為p，則其德布洛依波長由下式絕定：pλ=h，這里h是一常量，叫普朗克常數(shù)，h幾乎處處出現(xiàn)，它宣告物理學(xué)新的研究領(lǐng)域——量子物理學(xué)誕生了。

量子物理學(xué)的進展表明，普朗克常數(shù)h是量子物理學(xué)的重要常數(shù)，凡是涉及量子效應(yīng)的一切物理量都與它有關(guān)，h不僅必然成為微觀粒子運動特征的定量標(biāo)準(zhǔn)，而且成為劃分量子物理與經(jīng)典物理的定量界限。如果物理體系具有作用量綱的物理量與h可相比擬，則該體系的行為必須在量子力學(xué)的框架內(nèi)描述；反之，如果物理體系具有作用量綱的物理量遠(yuǎn)大于h，則經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)律就在足夠的精確度對該體系有效。普朗克常數(shù)h的深刻含義和重要地位，使之得以躋身基本物理常數(shù)之列。

普朗克常數(shù)h的一個意外而有趣的含義在于，它是一個直接關(guān)系到宇宙存在形式的基本常數(shù)。宇宙中廣泛存在著有形的物質(zhì)與輻射，其間的能量交換遵從一條物理原理，即能量按自由度均分。如果不存在普朗克常數(shù)，即若h=0，則表明輻射與有形物質(zhì)之間的能量交換可任意進行。由于輻射的自由度與頻率的平方成正比，隨著頻率增高，輻射自由度在數(shù)量上是沒有上限的。因此，輻射通過與有形物質(zhì)的能量交換，將不斷地從有形物質(zhì)中吸取能量，最終導(dǎo)致有形物質(zhì)的毀滅。于是，整個宇宙只剩下輻射，沒有原子、分子，沒有氣體、液體、固體等，生命與人類當(dāng)然無從談及。幸而普朗克常數(shù)h不為零，輻射的能量是不連續(xù)的，存在著ε=hv的能量臺階，波長越短頻率越高的輻射其能量臺階越高，在與有形物質(zhì)的能量交換中越不起作用，相應(yīng)的輻射自由度凍結(jié)，從而使有形物質(zhì)與幅射的能量交換受到限制，兩者才能達(dá)到平衡，我們這個宇宙才能以當(dāng)今豐富多采的形式存在下去。

下面介紹一下近代精確測量C和h的方法。

測量真空中光速的精確方法是，直接測量激光的頻率ν和真空波長λ，由兩者乘積得出真空光C。1972年，通過測量甲烷譜線的頻率與真空波長，得出真空中光速為c＝299792458±米/秒。1983年第17屆國際計量大會規(guī)定新的米定義為：“米是1/299792458秒的時間間隔內(nèi)光在真空中行程的長度?！庇捎诠馑偈嵌x，不確定度為零，從此不再需要任何測量，結(jié)束了300多年精密測量C的歷史。

h首先由普朗克給出，普朗克利用黑體輻射位移定律中的Wien常數(shù)b與k、Ｃ、h的關(guān)系，由b、k、Ｃ算出h，用實驗方法測定h則始于Millikan，他利用光電效應(yīng)的實驗得出h，近代精確測定h的方法是利用Josephson效應(yīng)，這是超導(dǎo)體的一種量子效應(yīng)。

1900年，Thomson在總結(jié)以往幾百年的物理學(xué)時指出：“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家似乎只要做一些零碎的修補工作就行了；但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云?！边@兩朵烏云就是當(dāng)時無法解釋的黑體輻射和Michel-son—MOrley實驗，正是它們引