Контакты jokoil@mail.ru КАРТА САЙТА English

Энергодинамическая система физических величин и понятий

(ЭСВП)


Не смешивать с СИ, унифицирующей ЕДИНИЦЫ измерений (разъяснение).

На Главную

Кому и зачем это нужно?

К сведению студентов

Основные понятия физики

Формы и виды энергии

Классификация физических систем

Основная идея системы величин

Таблицы физических величин

Итоги и выводы:

     Формы и виды движения

     Подробно об угле поворота

     О движении тела по орбите

     Заряды физического поля

     Новые единицы величин         колебаний и волн

     Новая единица         температуры

     Новый взгляд на         явления переноса

     Критерии подобия всюду

     Современная революция         в метрологии

Системный подход в экономике

История систематизации
величин и единиц


Необходимость модернизации
обучения физике


Учебно-наглядные пособия


Новости сайта

Шутки на тему сайта


Oб авторе проекта

Коган И.Ш.

Естественные системы единиц и постоянная Планка

СОДЕРЖАНИЕ.
1. Главная идея естественных систем единиц.
2. Цель создания естественных систем единиц и естественных систем величин.
3. Планковские величины или планковские единицы.
4. В планковской системе единиц энергия заменяет массу как основная величина.
5. Недостатки естественных систем единиц.


ПРИМЕЧАНИЕ: Для получения краткой справки по поводу недостаточно ясных, редко применяемых или введенных автором сайта терминов пройдитесь по ссылке Предметный указатель (от А до О и от П до Я), а по поводу примененных обозначений – по ссылке Символьный указатель (латинские буквы и греческие буквы).

1. Главная идея естественных систем единиц.

Идеи создания систем единиц, зависящих только от фундаментальных физических констант (ФФК) и не зависящих ни от каких измерительных эталонов, возникли еще в XIX веке. История их возникновения подробно описана в работе К.Томилина (2006), в которой указано, что существование ФФК "открывает возможность перехода от произвольных мер к абсолютным мерам Природы, т.е. к мерам, имеющим абсолютную собственную точность". Первым предложил две "универсальные системы единиц" в 1870 и 1873 г.г. английский физик Дж.Максвелл, а первую естественную систему единиц, основанную только на ФФК, предложил в 1874 г. ирландский физик Дж.Стони. Система Стони базировалась на скорости света c, гравитационной постоянной G и элементарном электрическом заряде e. В настоящее время "развитие метрологии можно описать как переход от измерения фундаментальных постоянных к измерению фундаментальными постоянными".

Наиболее популярной оказалась предложенная немецким физиком М.Планком в 1897 г. естественная система единиц, базировавшаяся на постоянной Планка h, электродинамической постоянной c, гравитационной постоянной G и постоянной Больцмана k. Постоянные h и k были введены М.Планком впервые. Постоянная Планка h представляет собой элементарный квант физической величины, которую впоследствии американский физик Р.Фейнман назвал действием.

Кроме системы единиц М.Планка известны система атомных единиц Хартри, в которой основными являются единицы электрического заряда, массы и углового момента электрона, и система релятивистских единиц, где вместо единицы электрического заряда фигурирует единица скорости света.

2. Цель создания естественных систем единиц и естественных систем величин.

Цель создания естественных систем единиц предельно четко описана самим М.Планком (издание на русском языке 1975 г.). Эта цель заключается в том, чтобы естественные единицы "сохраняли своё значение для всех времен и для всех культур, в том числе, и внеземных, и нечеловеческих". В настоящий период метрологическая общественность нацелена на переопределение основных единиц СИ на базе ФФК. Однако единицы ФФК привязаны к основным единицам СИ, установленным на Земле, в том числе, и к условно принятым основным единицам.

Значение основных единиц в естественных системах единиц определяется косвенным путем. Для планковских основных единиц (ФФК) нет и не может быть измерительных эталонов, так как сами ФФК должны служить измерительными эталонами. Именно на это нацелена сейчас метрология, внедряющая переопределение основных единиц СИ с помощью ФФК. Однако единицы ФФК в настоящее время привязаны к СИ. А это уже не совсем совпадает с целью, провозглашенной М.Планком.

Поэтому идея опоры на явления природы, а не на измерительные эталоны, должна иметь в своей основе системы физических величин с размерностями основных величин, не привязанными к размерностям существующих основных единиц. Если размерности основных единиц в естественных системах единиц ХХ века совпадают с размерностями основных единиц в СИ, то размерности основных величин в естественных системах величин не обязаны совпадать с размерностями основных единиц СИ. Какие преимущества это дает, рассказано в статье, посвященной различию между системами величин и системами единиц.

3. Планковские величины или планковские единицы.

Со временем постоянную Планка h в его системе единиц заменили так называемой редуцированной постоянной Планка или постоянной Дирака ħ = h/2π. Тем самым в систему единиц М.Планка внесли еще одну 5-ую константу (2π). В статье данного сайта, посвященной числу 2π, показано, что введение числа 2π при введении в физику математических методов вынуждает присваивать этой геометрической константе размерность и единицу.

Из указанных пяти констант (или четырех, если ħ заменить на h) были выведены так называемые планковские единицы (планковские величины). Ниже приведены определяющие уравнения для планковских величин и значения этих величин в единицах системы СИ:

планковская масса mpl = (ħc/G)½ = 2,176.10-8 кг,
планковская длина lpl = (ħG/c3)½ = 1,616.10-35 м,
планковское время tpl = (ħG/c5)½ = 5,391.10.10-44 с,
планковская энергия Epl = (ħc5/G)½ = 1,956.109 Дж,
планковская температура Tpl = (ħc5/k2G)½ = 1,417.1032 К.

Для получения планковского заряда в систему единиц Планка ввели электрическую постоянную ε0 , после чего уравнение связи для планковского заряда приобрело вид qpl = (4πε0 ħc)½ = 1,876.10-18 Кл. Эти численные значения могут измениться при замене ħ на h.

Как видим, планковские единицы далеки по своему значению от единиц системы СИ, то есть непрактичны для современной техники. Но они играют большую роль в теоретической физике.

4. В планковской системе единиц энергия заменяет массу как основная величина

Главной метрологической особенностью системы единиц М.Планка в современном виде является то, что длина, время, масса, энергия, температура, электрический заряд являются в ней производными физическими величинами, а основными являются ФФК, единицы которых являются комбинациями единиц энергии, длины, времени, температуры.

Важной особенностью системы М.Планка является то, что единицы ее констант при выражении их через единицы СИ включают в себя единицу энергии джоуль. Например, единицей постоянной Планка является Дж с, единицей постоянной Больцмана k является Дж К-1, а единицей массы является 1 кг = 1 Дж м-2 с2. Это говорит о том, что в системе единиц М.Планка единица массы является производной по отношению к единице энергии. В квантовой механике массу элементарных частиц измеряют в электрон-вольтах (точнее в эВ/с2, где с − электромагнитная постоянная), а электрон-вольт является единицей энергии.

Идея опоры на энергию, как основную физическую величину, была высказана в начале ХХ века французским физиком А. Пуанкаре: "Поскольку мы не в состоянии дать общее определение энергии, закон сохранения энергии следует рассматривать просто как указание на то, что существует нечто, остающееся постоянным (в любом физическом процессе). К каким бы открытиям не привели нас будущие эксперименты, мы заранее знаем, что и тогда будет нечто, обладающее способностью сохраняться, и это нечто мы можем называть энергией."

Еще чаще эта идея стала появляться в научной литературе с середины ХХ века. Подробно это описывается в статьях, посвященных естественной системе величин и необходимости замены массы энергией в качестве основной физической величины.

5. Недостатки естественных систем единиц

Главная цель естественных систем единиц, продекларированная М.Планком, о сохранении значения основных единиц для всех времен и для всех культур не может быть осуществлена, пока единицы базовых ФФК этих систем базируются на основных единицах, принятых на Земле.

Например, в статье сайта, посвященной размерным коэффициентам, показано, что гравитационная постоянная G является не физической константой, а размерным коэффициентом в законе всемирного тяготения Ньютона. К тому же, истинным размерным коэффициентом является γ0 = 4πG. Не случайно, видимо, в современной физике элементарных частиц в знаменатель планковской массы перед G введен коэффициент 8π. Размерным коэффициентом в законе Кулона является и электрическая постоянная ε0 , входящая в выражение для планковского заряда.

Как в электромагнитном поле фундаментальной константой является электромагнитная постоянная с (скорость распространения электромагнитных волн в вакууме), так и в гравитационном поле фундаментальной константой должна, по-видимому, являться сg (скорость распространения гравитационных волн в вакууме), численное значение которой пока определено весьма приблизительно. Но именно фундаментальная константа сg должна войти во все планковские единицы вместо G, как она вошла в "единую математическую формулу законов природы" М.Вудынского. И тогда изменятся все определяющие уравнения для планковских величин и все их численные значения.

Далее. Постоянная Планка при расчете планковских величин заменена в современной физике редуцированной постоянной Планка ħ = h/2π, получившей распространение вследствие широеого использования в физике математического метода векторных диаграмм. А это вынуждает придавать размерность множителю 2π, как это пояснено в статье, посвященной размерности числа π.

Важно добавить, что в статье, посвященной числу структурных элементов (количеству считаемых величин), как новой основной физической величине со своей собственной размерностью, показано, что единица постоянной Планка h равна фактически Дж с квант-2, а не Дж с.

Литература


1. Планк М. 1975, Избранные труды. − М.: Наука.
2. Томилин К.А., 2001, Планковские величины, http://www.ihst.ru/personal/tomilin/papers/tom00phil.pdf
3. Томилин К.А. 2006, Фундаментальные физические постоянные в историческом и методологическом аспектах, – М.: Физматлит. 368 с.


© И. Коган Дата первой публикации 12.02.2008
Дата последнего обновления 24.03.2015

Оглавление Предыдущая Следующая