Монография посвящена истории возникновения и развития концепции фундаментальных физических постоянных, играющей центральную роль в современной физике. В первой части представлена история появления в физике таких постоянных, как скорость света, постоянная Планка, элементарный заряд. Во второй части рассмотрена история констант взаимодействий — гравитационной постоянной, постоянной Ферми, постоянной тонкой структуры и постоянной сильного взаимодействия. В третьей части анализируются происхождение терминологии, основные свойства фундаментальных постоянных, модели эволюции физических теорий с точки зрения фундаментальных констант, естественные системы единиц, основанные на фундаментальных постоянных. Четвертая часть посвящена основным научно-исследовательским программам XX века с разными подходами к фундаментальным постоянным: попыткам введения новых фундаментальных постоянных, «пифагорейским» попыткам обоснования их численных значений, выявления возможной зависимости некоторых физических констант от космологического времени, антропной программе. Книга рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся возникновением современной физической картины мира

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие

Введение

1. Постоянные математические и физические, размерные и безразмерные

2.Разные классы физических постоянных и способы их обоснования

3.Какие физические постоянные являются фундаментальными и каково их число?

4. Физические постоянные: количественные и силовые, специфические и универсальные

5.История фундаментальных постоянных, от истории измерений к концептуальным вопросам

6.Международные конференции по фундаментальным постоянным

7. Фундаментальные физические постоянные в электронных средствах коммуникаций (интернет)

Глава 1.1. Скорость света

1.1.1. От абсолютной к относительной одновременности

1.1.2. Открытие конечности скорости света

1.1.3. Скорость света в волновой и корпускулярной теориях света

1.1.4. Эвристическое значение совпадения констант

1.1.5. Релятивистские преобразования

1.1.6. Принцип относительности

1.1.7. Эйнштейн и принцип постоянства скорости света

1.1.8. Концепция 4-х мерного пространства-времени

1.1.9. От измерения скорости света к измерению скоростью света

Глава 1.2. Постоянная Планка

1.2.1. Постоянные Стефана-Больцмана и Вина

1.2.2. Постоянные Планка а и b

1.2.3. Постоянные Планка h и k

1.2.4. Соотношение между планковскими постоянными (b и h),(а и h/k)

1.2.5. Кванты света Эйнштейна

1.2.6. Постоянная Планка и постулаты Бора

Глава 1.3. Элементарный заряд

1.3.1. Постоянная Фарадея

1.3.2. Элементарный заряд

Глава 2.1. Константы гравитационного взаимодействия

2.1.1. Универсальная гравитационная постоянная

2.1.2. Гелиоцентрическая, геоцентрическая, гауссова, эйнштейновская и др. гравитационные постоянные

2.1.3. К истории гравитационной постоянной

2.1.4. Вводил ли Ньютон гравитационную постоянную?

2.1.5. К аналитической форме закона тяготения

2.1.6. К единым мерам в теории тяготения

2.1.7. Опыт Г. Кавендиша: проблемы восприятия и интерпретации

2.1.8. О терминологии и символьном обозначении

2.1.9. О статусе гравитационной постоянной G

Глава 2.2. Константы элементарных взаимодействий и их объединение

2.2.1. Константы электромагнитного взаимодействия

2.2.2. Постоянная Ферми

2.2.3. Константы сильного взаимодействия

2.2.4. Объединение констант элементарных взаимодействий

ЧАСТЬ 3

Глава 3.1. Формирование общей терминологии

3.1.1. Универсальные постоянные

3.1.2. Мировые постоянные

3.1.3. Фундаментальные постоянные

3.1.4. Естественные постоянные

3.1.5. Абсолютные постоянные

3.1.6. Предельная, критическая, максимальная, стандартная, истинная, фундаментальная (скорость света)

3.1.7. "Квантовая" терминология

3.1.8. Элементарный заряд, элементарный квант действия, элементарная длина

3.1.9. Атомные постоянные

3.1.10. "Особые точки"

Глава 3.2. Свойства фундаментальных постоянных и их роль в физической картине мира

3.2.1. Универсальность

3.2.2. Свойства элементарных частиц

3.2.3. Коэффициенты пропорциональности в фундаментальных законах

3.2.4. Естественные масштабы

3.2.5. Связь с физическими теориями

3.2.6. Связь между физическими понятиями

3.2.7. Взаимоотношение между физическими теориями

Глава 3.3. Модели развития физики с точки зрения роли фундаментальных постоянных

3.3.1. Принцип соответствия и предельный переход

3.3.2. Модель Планка

3.3.3. Модель Гамова-Иваненко-Ландау: куб физических теорий

3.3.4. Модель Бронштейна: плоскостная развертка куба теорий

3.3.5. "Логическая структура" физики Паули

3.3.6. "Куб физических теорий" становится наглядным (Зельманов)

3.3.7. Модель Штрауса

3.3.8. "Древо взаимодействий"

3.3.9. Модель истории физики первой трети XX в. как развитие глобальных исследовательских программ

Глава 3.4. От измерения фундаментальных постоянных к квантовой метрологии

3.4.1. Фундаментальные постоянные как абсолютные меры Природы

3.4 2. Астрономическая система единиц (G=1)

3.4.3. Абсолютная система К.Ф. Гаусса (G = 1, k_т = 1, k_е = 1) 211

3.4.4. Универсальные системы Дж.К Максвелла (λ_Na, с, G), (λ_Na, c, т_о)

3.4.5. Система Дж. Стони (с, G, е; k_т =1)

3.4.6. "Естественные единицы измерения" М. Планка 1899 г.(а,b,с,f) и 1906 г.(с,h,f, k)

3.4.7. Электронная система единиц (с, т_е, е; k_е = 1)

3.4.8. Атомная система Д Хартри (ħ, т_е, е, k_е = 1)

3.4.9. Квантово-релятивистская система (с, ħ, т_р; k_е = 1)

3.4.10. Квантово-электродинамическая система (с, h, е, т_р,k)

3.4.11. Естественные системы единиц: от многообразия к единству

3.4.12. Естественные системы единиц, pro et contra

ЧАСТЬ 4

1. От попыток введения новых фундаментальных постоянных к переоткрытию планковских величин

4.1.1. Абсолютное поле (М. Борн, Л. Инфельд)

Фундаментальная (элементарная) длина (В. Гейзенберг, Г Снайдер, И.Е. Тамм и др.)

Открытие планковских величин как границ применимости современных физических теорий

4.1.4. Предельная масса элементарных частиц и черных дыр (М.А. Марков, С. Хокинг)

4.1.5. Предельная плотность и кривизна (М.А. Марков)

4.1.6. Максимальная температура (А Д. Сахаров)

Глава 4.2. Программа фундаментальных постоянных.

2. Постоянные с, h и е в макроскопических квантовых эффектах

4.2.1. Квант магнитного заряда (П.А М. Дирак)

4.2.2. Квант магнитного потока (Ф Лондон)

4.2.3. Постоянные h и е в эффекте Джозефсона

4.2.4. Кванты проводимости и сопротивления (К. фон Клитцинг)

4.2.5. Возможны ли другие макроскопические квантовые эффекты?

Глава 4.3. "Пифагорейская" программа обоснования численных значений фундаментальных постоянных

4.3.1. Генезис "пифагорейской" программы

4.3.2. Теория Эддингтона

4.3.3. Другие "пифагорейские" гипотезы

Глава 4.4. Программа переменных "констант"

4.4.1. "Большие числа" и соотношения между ними

4.4.2. "Большие числа"- от открытия к совпадениям

4 4.3. Генезис программы переменных "констант"

4.4.4. Гипотеза больших чисел Дирака

4.4.5. Постоянные изменяются?

Глава 4.5. Антропная программа

4.5.1. Генезис антропной программы

4.5.2. Фундаментальные параметры и условия существования жизни

4.5.3. Антропный принцип как методологический принцип физики

Заключение

Библиография

Именной указатель

Приложение. Фундаментальные физические постоянные

Абсолютные меры. Константы взаимодействий. Основные масштабы масс (энергий). Дополнительные постоянные и соотношения между ними.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Фундаментальные физические постоянные — одни из важнейших элементов современной физической картины мира. Эволюция этого понятия непосредственно связана с эволюцией физики и отражает основную закономерность развития физического знания — переход от классической физики, не содержащей постоянных, которые имели фундаментальный статус, к современной физике, в которой центральную роль играют фундаментальные постоянные. В классической физике физические постоянные появились в связи с установлением специфических свойств материальных объектов (плотности тел, скорости звука, света и т.д.), а также с открытием законов сохранения (гелиоцентрическая и гауссова постоянные в небесной механике), но они не играли в структуре физической теории такой фундаментальной роли, какую они приобрели в XX в. В результате научной революции конца XIX — начала XX веков физика, которая считалась почти законченной теорией, вышла на качественно новый уровень своего развития, были развиты новые физические теории, в которых такие физические постоянные, как скорость света и постоянная Планка, приобрели фундаментальный статус, при этом классические теории сохранили свое значение лишь как предельные случаи этих новых теорий, когда характерные масштабы далеки от значений фундаментальных постоянных. Дальнейшее развитие физики также отражает развитие концепции фундаментальных постоянных, особенно в связи с открытием макроскопических квантовых эффектов, что привело к революции в метрологии и ее переходу в конце XX века в квантовую метрологию. Поэтому феноменологически всю историю физики можно рассматривать как закономерную эволюцию концепции фундаментальных физических постоянных (ФФП).

В данной монографии ставится задача исследования основных концептуальных аспектов, связанных с появлением и "фундаментализацией" физических постоянных в их историческом развитии. Сложность темы можно охарактеризовать как ∞ⁿ — бесконечность по идеям, которые связаны с фундаментальными постоянными, бесконечность по первоисточникам, в которых разбросаны те или иные идеи, бесконечность по авторам, которые выдвигали эти идеи, бесконечность по охватываемому временному периоду и т.п. Работая по этой теме, автор неоднократно убеждался в справедливости известного изречения о том, что нельзя объять необъятное. В силу этого, а также в силу ограниченности человеческого ума, какие-то важные идеи неизбежно остались в данной книге вне рассмотрения или оказались рассмотрены не во всей полноте, однако, автор надеется, что книга будет способствовать пониманию вектора развития физики, направление которого было задано открытием фундаментальных физических постоянных.

Первая и вторая части посвящены собственно истории фундаментальных постоянных. В первой главе рассматривается история постоянных, которые являются естественными мерами физических величин — скорости света с, постоянной Планка h, элементарного заряда е, постоянной Больцмана k. Вторая часть посвящена истории силовых постоянных — постоянных, характеризующих силы взаимодействий: гравитационной постоянной G, постоянной тонкой структуры, постоянной Ферми и др. Такое разделение постоянных продолжает линию Г. Ми и А. Зоммерфельда разделения экстенсивных и интенсивных величин в физике. Поэтому все фундаментальные постоянные, являющиеся силовыми характеристиками взаимодействий, отнесены ко второй главе. Длительное время история фундаментальных постоянных представлялась в основном как история опытов по их измерению. В данном исследовании акцент с "измерительного" направления перенесен на реконструкцию основных концептуальных моментов, связанных с появлением и "фундаментализацией" этих постоянных. Поэтому методика различных многочисленных опытов не рассматривается (что уже было основой отдельных специальных исследований Б.П. Вейнберга, Дж. Пойнтинга, М.У. Сагитова и др.), а сами опыты упоминаются лишь в той мере, в которой они меняли представление о физических постоянных на их пути к фундаментальному статусу. Третья часть посвящена происхождению и использованию терминологии (фундаментальные, универсальные, абсолютные, естественные, мировые постоянные), анализу основных свойств фундаментальных физических постоянных, которые фиксировались учеными как их определения, анализу роли фундаментальных постоянных во взаимоотношении между основными физическими теориями, которое регулируется принципом соответствия, и основанным на этом методологическом принципе моделям развития теоретической физики, а также роли фундаментальных постоянных в эволюции метрологии в направлении квантовой метрологии. Четвертая часть посвящена анализу различных исследовательских стратегий (программ) XX века — стратегии поиска других фундаментальных постоянных, равных по статусу таким постоянным, как скорость света с и постоянная Планка h, редукции одних размерных постоянных к другим, более фундаментальным, проблеме обоснования значений безразмерных фундаментальных постоянных и попыткам их редукции к математическим постоянным, проблеме "больших чисел" (т.е. мировых параметров, имеющих огромные значения 10²⁰, 10⁴⁰, 10⁸⁰) и различным подходам к ее решению, прежде всего — программе переменных (в зависимости от космологического времени) "констант", а также антропной программе.

В монографии принята современная система ссылок, характерная для историко-научной литературы: в скобках указывается автор и год оригинальной публикации или доклада, а литература упорядочена по фамилиям авторов. При этом, если является существенным различие между годом доклада и его публикации, или временем подачи статьи и ее реальной публикации указываются обе даты, отделяемые чертой (например, Stoney, 1874/81 или Poincare, 1905/06). В переводах на русский язык указывается год оригинальной публикации, а не год перевода, за исключением сборников переводов, где указывается год издания.

Решающая поддержка автору в работе по данной теме была оказана РФФИ, предоставившим в 1994 г. годичный грант на эту тему, а в дальнейшем — дирекцией и Отделом аспирантуры ИИЕТ РАН — В.М. Орлом, Н.И. Кузнецовой и И.В. Лапиной, а также Отделом истории физико-математических наук — Г.М. Идлисом и В.П. Визгиным, за что приношу им глубокую благодарность. Выражаю глубокую признательность всем сотрудникам Отдела истории физико-математических наук, а также ряду ученых ИИЕТ РАН, ФИАНа и других институтов, особенно В.В. Бабкову, В.М. Березанской, Б.М. Болотовскому, Л.И. Верховскому, Ю.С. Владимирову, Г.Е. Горелику, B.C. Кирсанову, В.И. Когану, В.Г. Нестеренко, Н.Ф. Овчинникову, Л.Б. Окуню, Д.И. Сергееву, А.С. Сонину, А.Д. Суханову за указание на важные первоисточники и ценное интеллектуальное сотрудничество, а также сотрудникам библиотек ИИЕТ РАН и ФИАНа за помощь в доступе к важным первоисточникам. Особую благодарность я хотел бы выразить Г.Л. Борисовой, И.А. Савину, А.Л.Усову и другим учителям школы №1140, заложившим основы физико-математической и кибернетико-компьютерной культуры, а также — историку физики В.П. Визгину, общение с которым способствовало более широкому и глубокому пониманию самых различных аспектов эволюции физики. Исследование не могло бы состояться без моральной поддержки ряда близких людей, прежде всего, моих родителей — преподавателя русского языка и литературы Н.К. Томилиной и философа, доктора философских наук А.П. Огурцова, которым и посвящена эта книга.

К.А.Томилин

Шарапова Охота, 18 июля 2005 г.

формате PDF (19197Кб)