在物理學中,物理常數是無法以理論解釋的物理量,必須依賴實驗測量。這不同於數學常數,後者擁有固定的數值,但不涉及任何物理測量。科學領域中有眾多的物理常數,其中最著名的一些包括真空中的光速 c、萬有引力常數 G、普朗克常數 h、電常數 ε0,以及基本電荷 e。
物理常數的特性是它們在物理理論中作為不可解釋的參數,這使得它們的測量結果必須依賴於實驗。
這些常數可以以多種維度存在:光速便代表了任何物體的最大速度,其維度為長度與時間的比值;而質子與電子的質量比則是無維的。越來越多的物理學家將“基本物理常數”這個術語保留為無維的普遍物理常數,例如用於描述電磁相互作用強度的精細結構常數 α。
需要注意的是,物理常數不應與經驗常數混淆。經驗常數是在特定上下文中假定為常數的係數或參數。舉例來說,某一系統的特徵時間、特徵長度或特徵數(無維)等都可以視為經驗常數。
物理常數的測量不受單位系統的制約,而它們的數值則依賴於所選擇的單位系統。一個例子便是光速,在國際單位系統中,它的數值為 299792458 m/s,但在自然單位系統中則被定義為 1。
自2019年的修訂以來,所有國際單位系統中的單位均依據固定的自然現象進行定義,包括光速、普朗克常數及基本電荷三個基本常數。
這些定義的變更意味著,像千克這樣的 SI 單位現在可以用基本常數和一個實驗測量常數來表示。這樣的定義為我們理解宇宙提供了更可靠的基礎。
我們可以透過將不同的維度的普遍物理常數結合起來,定義固定的任何所需維度的量,這一特性被用來建立各種自然單位系統。根據使用的常數的選擇和排列,生成的自然單位可能對某一研究領域非常方便。
基本物理常數的數量取決於被認為“基本”的物理理論。目前,廣義相對論和標準模型為引力及電磁、弱及強核相互作用提供理論框架,共同列出了19個獨立的基本常數。然而,對於基本常數的數量定義並沒有“正確”的方式,這是取決於解釋物理理論的任務。
任何單位體系中物理常數的選擇和定義將影響我們對其是否經歷變動的討論。
如保羅·狄拉克在1937年就曾設想,物理常數可能隨時間改變,而這樣的假設是基於宇宙的年齡。而對精細結構常數的研究顯示,其每年的相對變化上限相對較低,大約是10^(-17)。這為我們提供了一個思考宇宙穩定性的線索。
兩個具有相同維度的物理常數之間的比例形成了無維的物理常數,例如質子與電子的質量比。這類無維物理常數的崛起使得物理學家對宇宙的理解更加深入。
一些物理學家探析了如果這些無維物理常數的值有足夠大的不同,我們的宇宙將會是多么不同,智能生命可能不會出現。
這引發了關於宇宙是否被“精細調整”的討論,從而衍生出不同解釋,包括了神創論及多重宇宙理論等觀點。
物理常數在科學中扮演著極其重要的角色,它們為我們理解宇宙的運作提供了基礎,並且隨著物理理論的發展而不斷演化。你是否想過,這些物理常數背後還隱藏了哪些尚未被發現的秘密呢?