ثابت فيزيائي

الثابت الفيزيائي ، الذي يُسمى أحيانًا الثابت الفيزيائي الأساسي أو الثابت الكوني ، هو كمية فيزيائية لا يمكن تفسيرها نظريًا ، وبالتالي يجب قياسها تجريبيًا. وهو يختلف عن الثابت الرياضي ، الذي له قيمة عددية ثابتة، ولكنه لا يتطلب أي قياس فيزيائي مباشر.

توجد العديد من الثوابت الفيزيائية في العلوم، ومن أكثرها شيوعًا سرعة الضوء في الفراغ c ، وثابت الجاذبية G ، وثابت بلانك h ، والثابت الكهربائي ε₀ _، والشحنة الأولية e . ويمكن أن تتخذ الثوابت الفيزيائية أشكالًا متعددة الأبعاد : فسرعة الضوء لها بُعد الطول مقسومًا على الزمن ( T ^{- 1} /L )، بينما نسبة كتلة البروتون إلى كتلة الإلكترون لا بُعد لها .

يُستخدم مصطلح "الثابت الفيزيائي الأساسي" أحيانًا للإشارة إلى الثوابت الفيزيائية العامة ذات الأبعاد، مثل تلك المذكورة أعلاه. ^{[ 1 ]} ومع ذلك، يحرص الفيزيائيون بشكل متزايد على حصر هذا المصطلح في الحالة الأضيق للثوابت الفيزيائية العامة عديمة الأبعاد ، مثل ثابت البنية الدقيقة α ، الذي يُحدد قوة التفاعل الكهرومغناطيسي .

لا ينبغي الخلط بين الثوابت الفيزيائية، كما نوقش هنا، والثوابت التجريبية ، وهي معاملات أو معايير يُفترض ثباتها في سياق معين دون أن تكون أساسية. ^{[ 2 ]} ومن الأمثلة على ذلك الزمن المميز ، والطول المميز ، أو العدد المميز (بدون وحدة) لنظام معين، أو ثوابت المادة (مثل ثابت ماديلونغ ، والمقاومة الكهربائية ، والسعة الحرارية ) لمادة أو عنصر معين.

الثوابت الفيزيائية هي معلمات في نظرية فيزيائية لا يمكن تفسيرها بواسطة تلك النظرية. قد يعود ذلك إلى الطبيعة الأساسية الظاهرة للثابت أو إلى قيود في النظرية. وبالتالي، يجب قياس الثوابت الفيزيائية تجريبياً. ^{[ 3 ] : 9}

تتغير مجموعة المعاملات التي تُعتبر ثوابت فيزيائية بتغير النماذج الفيزيائية، وقد يتغير مدى أهميتها. على سبيل المثال، كانت سرعة الضوء (c ) تُعتبر في الأصل خاصية للضوء، أي لنظام محدد. ربط اكتشاف معادلات ماكسويل والتحقق منها هذه الكمية بنظام كامل، وهو الكهرومغناطيسية . وعندما ظهرت نظرية النسبية الخاصة ، أصبح يُنظر إلى هذه الكمية على أنها أساس السببية. ^{[ 3 ]} تُعد سرعة الضوء أساسية لدرجة أنها تُحدد الآن الوحدة الدولية للطول .

يعتمد عدد الثوابت الفيزيائية الأساسية على النظرية الفيزيائية المعتمدة كـ"أساسية". حاليًا، تُعتبر نظرية النسبية العامة أساسًا للجاذبية، بينما يُعتبر النموذج القياسي أساسًا للتفاعلات الكهرومغناطيسية والنووية الضعيفة والقوية وحقول المادة. تُفسر هذه النظريات مجتمعةً 19 ثابتًا أساسيًا مستقلًا. مع ذلك، لا توجد طريقة "صحيحة" واحدة لترقيمها، إذ يخضع تحديد الكميات "الأساسية" و"المشتقة" للاختيار التعسفي. يُدرج أوزان ^{[ 3 ]} 22 "ثابتًا أساسيًا لنموذجنا القياسي" على النحو التالي:

• ثابت الجاذبية G ،
• سرعة الضوء c​
• ثابت بلانك h ،
• اقترانات يوكاوا التسعة للكواركات واللبتونات (المكافئة لتحديد كتلة السكون لهذه الجسيمات الأولية ) ،
• معاملان لجهد مجال هيغز ،
• أربعة معلمات لمصفوفة خلط الكواركات ،
• 3 ثوابت اقتران لمجموعات القياس SU(3) × SU(2) × U(1) (أو بشكل مكافئ، ثابتان اقتران وزاوية واينبرغ )،
• مرحلة لفراغ الديناميكا اللونية الكمومية .

يخضع عدد الثوابت الفيزيائية الأساسية المستقلة البالغ عددها 19 للتغيير في ظل التوسعات المحتملة للنموذج القياسي ، ولا سيما من خلال إدخال كتلة النيوترينو (ما يعادل سبعة ثوابت إضافية، أي 3 اقترانات يوكاوا و4 معلمات خلط الليبتونات ). ^{[ 3 ]}

إن اكتشاف التباين في أي من هذه الثوابت سيكون بمثابة اكتشاف " فيزياء جديدة ". ^{[ 3 ]}

إن مسألة تحديد الثوابت "الأساسية" ليست بسيطة ولا عديمة المعنى، بل هي مسألة تفسير للنظرية الفيزيائية التي تُعتبر أساسية؛ وكما أشار ليفي-ليبلوند (1977) ، فإن الثوابت الفيزيائية ليست جميعها على نفس القدر من الأهمية، فبعضها له دور أعمق من غيره. وقد اقترح ليفي-ليبلوند (1977) تصنيفًا لثلاثة أنواع من الثوابت:

• أ: الخصائص الفيزيائية لأجسام معينة
• ب: سمة مميزة لفئة من الظواهر الفيزيائية
• ج: الثوابت الكونية

قد ينتقل الثابت الفيزيائي نفسه من فئة إلى أخرى مع تعمق فهم دوره؛ وقد حدث هذا بشكل ملحوظ لسرعة الضوء، التي كانت ثابتة من الفئة أ (خاصة بالضوء ) عندما تم قياسها لأول مرة، ولكنها أصبحت ثابتة من الفئة ب (خاصة بالظواهر الكهرومغناطيسية ) مع تطور الكهرومغناطيسية الكلاسيكية ، وأخيراً ثابتة من الفئة ج مع اكتشاف النسبية الخاصة . ^{[ 5 ]}

بحكم التعريف، تخضع الثوابت الفيزيائية الأساسية للقياس ، وبالتالي فإن ثباتها (بشكل مستقل عن كل من وقت ومكان إجراء القياس) هو بالضرورة نتيجة تجريبية وتخضع للتحقق.

افترض بول ديراك عام 1937 أن الثوابت الفيزيائية، مثل ثابت الجاذبية وثابت البنية الدقيقة، قد تخضع للتغير بمرور الزمن بما يتناسب مع عمر الكون . ولا يمكن للتجارب، من حيث المبدأ، إلا أن تحدد حدًا أقصى للتغير النسبي سنويًا. وبالنسبة لثابت البنية الدقيقة، فإن هذا الحد الأقصى منخفض نسبيًا، ويبلغ حوالي 10⁻¹⁷ ^سنويًا (حتى عام 2008). ^{[ 6 ]}

يُعدّ قياس ثابت الجاذبية بدقة أمرًا بالغ الصعوبة، وقد ألهمت القياسات المتضاربة في العقد الأول من الألفية الثانية اقتراحات مثيرة للجدل حول تغير دوري لقيمته، نُشرت في ورقة بحثية عام 2015. ^{[ 7 ]} ومع ذلك، فبينما لا تُعرف قيمته بدقة عالية، فإن إمكانية رصد المستعرات العظمى من النوع Ia التي حدثت في الماضي البعيد للكون، إلى جانب افتراض أن الفيزياء التي تنطوي عليها هذه الأحداث كونية، تسمح بوضع حد أقصى لثابت الجاذبية أقل من 10⁻¹⁰ ^سنويًا على مدى التسعة مليارات سنة الماضية. ^{[ 8 ]}

وبالمثل، حُدِّد الحد الأعلى للتغير في نسبة كتلة البروتون إلى الإلكترون عند ^10⁻⁷ على مدى 7 مليارات سنة (أو 10⁻¹⁶ ^سنة ) في دراسة أجريت عام 2012 استنادًا إلى رصد الميثانول في مجرة ​​بعيدة. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

من الإشكالي مناقشة معدل التغير المقترح (أو انعدامه) لثابت فيزيائي أحادي البعد بمعزل عن غيره. والسبب في ذلك هو أن اختيار الوحدات اعتباطي، مما يجعل مسألة تغير الثابت من عدمه نتاجًا لاختيار (وتعريف) هذه الوحدات. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

على سبيل المثال، في نظام الوحدات الدولي (SI) ، حُدِّدت قيمة سرعة الضوء عام ١٩٨٣. لذا، كان من المجدي قياس سرعة الضوء تجريبيًا باستخدام وحدات النظام الدولي قبل ذلك التاريخ، لكن الأمر لم يعد كذلك الآن. وبالمثل، اعتبارًا من مايو ٢٠١٩، أصبح لثابت بلانك قيمة محددة، بحيث تُعرَّف جميع وحدات النظام الدولي الأساسية بدلالة ثوابت فيزيائية أساسية. وبهذا التغيير، يُلغى استخدام النموذج الدولي للكيلوغرام كآخر عنصر مادي يُستخدم في تعريف أي وحدة من وحدات النظام الدولي.

تُركز اختبارات ثبات الثوابت الفيزيائية على الكميات عديمة الأبعاد ، أي النسب بين الكميات ذات الأبعاد المتشابهة، لتجاوز هذه المشكلة. فالتغيرات في الثوابت الفيزيائية لا معنى لها إذا نتج عنها كون لا يمكن تمييزه بالملاحظة . على سبيل المثال، سيكون "التغير" في سرعة الضوء c بلا معنى إذا اقترن بتغير مماثل في الشحنة الأولية e بحيث يبقى التعبير e² ^/ (4πε₀ħc ) ( ثابت البنية الدقيقة) دون تغيير _. ^{[ 14 ]}

أي نسبة بين ثوابت فيزيائية ذات أبعاد متماثلة تُنتج ثابتًا فيزيائيًا عديم الأبعاد ، على سبيل المثال، نسبة كتلة البروتون إلى كتلة الإلكترون . يُعد ثابت البنية الدقيقة α ، الذي قدمه أرنولد سومرفيلد ، أشهر ثابت فيزيائي أساسي عديم الأبعاد. وهو قيمة مربع الشحنة الأولية مُعبرًا عنها بوحدات بلانك . وقد أصبحت هذه القيمة مثالًا قياسيًا عند مناقشة إمكانية اشتقاق الثوابت الفيزيائية أو عدم إمكانية اشتقاقها.

استكشف بعض الفيزيائيين فكرة أنه لو كانت للثوابت الفيزيائية عديمة الأبعاد قيم مختلفة بشكل كافٍ، لكان كوننا مختلفًا جذريًا لدرجة أنه ربما لم تكن الحياة الذكية لتظهر، وبالتالي يبدو أن كوننا مُهيأ بدقة للحياة الذكية. ^{[ 15 ]} ينص المبدأ الأنثروبي على حقيقة منطقية بديهية : إن وجودنا ككائنات ذكية قادرة على قياس الثوابت الفيزيائية يستلزم أن تكون هذه الثوابت بحيث يمكن لكائنات مثلنا أن توجد. هناك تفسيرات متنوعة لقيم هذه الثوابت، منها تفسير الخالق الإلهي (حيث يكون الضبط الدقيق الظاهر فعليًا ومقصودًا)، أو أن الكون هو كون واحد من بين أكوان متعددة ( مثل تفسير الأكوان المتعددة لميكانيكا الكم )، أو حتى أنه إذا كانت المعلومات خاصية متأصلة في الكون ولا تنفصل منطقيًا عن الوعي، فلا يمكن أن يوجد كون بدون القدرة على وجود كائنات واعية.

يسرد الجدول أدناه بعض الثوابت شائعة الاستخدام وقيمها الموصى بها من قبل CODATA. للاطلاع على قائمة موسعة، راجع قائمة الثوابت الفيزيائية .

كمية	رمز	القيمة [ 16 ]	عدم اليقين المعياري النسبي
الشحنة الأولية	${\displaystyle e}$	1.602 176 634 × 10 −19  C ‍ [17 ]	0
ثابت نيوتن للجاذبية	${\displaystyle G}$	6.674 30 (15) × 10 −11  م 3 ⋅كغ −1 ⋅ث −2 ‍ [18 ]	2.2 × 10 −5
ثابت بلانك	${\displaystyle h}$	6.626 070 15 × 10 −34  J⋅Hz −1 ‍ [19 ]	0
سرعة الضوء في الفراغ	${\displaystyle c}$	299792458 م⋅ث −1  ‍ [20 ]​​	0
السماحية الكهربائية للفراغ	${\displaystyle \varepsilon _{0}}$	8.854 187 8188 (14) × 10 −12  F⋅m −1 ‍ [21 ]	1.6 × 10 −10
النفاذية المغناطيسية في الفراغ	${\displaystyle \mu _{0}}$	1.256 637 061 27 (20) × 10 −6  N⋅A −2 ‍ [22 ]	1.6 × 10 −10
كتلة الإلكترون	${\displaystyle m_{\mathrm {e} }}$	9.109 383 7139 (28) × 10 −31  كجم ‍ [23 ]	3.1 × 10 −10
ثابت البنية الدقيقة	${\displaystyle \alpha =e^{2}/2\varepsilon _{0}hc}$	0.007 297 352 5643 (11) ‍ [24 ]	1.6 × 10 −10
ثابت جوزيفسون	${\displaystyle K_{\mathrm {J} }=2e/h}$	483 597 .8484... × 10 9  هرتز⋅فولت −1 ‍ [25 ]	0
ثابت ريدبيرج	${\displaystyle R_{\infty}=\alpha ^{2}m_{\mathrm {e} }c/2h}$	10 973 731 .568 157 (12)  م −1 ‍ [26 ]	1.1 × 10 −12
ثابت فون كليتزينغ	${\displaystyle R_{\mathrm {K} }=h/e^{2}}$	25 812 .807 45 ...  أوم ‍ [27 ]	0

• قائمة الرموز الفيزيائية الشائعة
• قائمة الثوابت الرياضية
• قائمة الثوابت الفيزيائية
• ثابت رياضي

• ستون رمزًا ، جامعة نوتنغهام
• الكتاب الذهبي للاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية