對于基本物理常數的科學認識

（長江大學物理學院與技術學院）

摘 要：基本物理常數是物理學中的一些普適常數。這些常數與自然科學的各個分支有著密切的聯系，物理學中許多劃時代理論的創立和新研究領域的開辟，往往與某個基本物理常數的發現或準確測定密切相關。

關鍵詞：物理常數；光速；普朗克常數

基本物理常數是物理學中的一些普適常數。這些常數與自然科學的各個分支有著密切的關系，在科學理論的提出和科學試驗的發展中起著很重要的作用。

物理學中許多新領域的開辟以及重大物理理論的創立，往往與相關基本物理常數的發現或準確測定密切相關。基本物理常數的測定及其精度的不斷提高，生動地反映了實驗技術和測量方法的發展與更新，現在，許多基本物理常數的精度已達10-6量級，有的甚至達到10-8~10-10量級。本文僅以光速C和普朗克常數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。但細分析起來，光速也似乎確有一些特殊之處。其一是光速的數值非常大，遠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的彈性介質便不復存在，由此引來了關于以太（假想的彈性介質）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 =3.14858×108米/秒。分屬光學和電磁學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為橋梁把以前認為彼此無關的光學與電磁學統一了起來。同時，由于電磁波傳播依賴的是電磁場的內在聯系，無需任何彈性介質，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。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律，統一了光學與電磁學，開創了物理學的新時代。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果。如果麥克斯韋方程組適用于一切慣性系，則根據伽利略變換得出的經典速度合成規律，在不同慣性系中的光速應不同，甚至會出現違背因果關系的超光速現象，也難以解釋。總之，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，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志。

1900年普朗克為解釋黑體輻射，提出諧振子能量不連續的大膽假設。1905年Einstein為解釋光電效應，把能量子假設推廣到電磁波，提出“光量子”。1924年德布羅意通過粒子與波的對比，假設微觀粒子也具有波動性，也就是波粒二象性，設其動量為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，h幾乎處處出現，它宣告物理學新的研究領域——量子物理學誕生了。

量子物理學的進展表明，普朗克常數h是量子物理學的重要常數， h不僅必然成為微觀粒子運動特征的定量標準，而且成為劃分量子物理與經典物理的定量界限（正如C是劃分相對論與非相對論的定量界限一樣）。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的框架內描述；反之，如果物理體系具有作用量綱的物理量遠大于h，則經典物理學的規律就在足夠的精確度對該體系有效。普朗克常數h的深刻含義和重要地位，使之得以躋身基本物理常數之列。

普朗克常數h的一個意外而有趣的含義在于，它是一個直接關系到宇宙存在形式的基本常數。宇宙中廣泛存在著有形的物質與輻射，其間的能量交換（如物體發光或吸收光）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，即若h=0，則表明輻射與有形物質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，輻射自由度在數量上是沒有上限的。因此，輻射通過與有形物質的能量交換，將不斷地從有形物質中吸取能量，最終導致有形物質的毀滅。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，生命與人類當然無從談及。幸而普朗克常數h不為零，輻射的能量是不連續的，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，在與有形物質的能量交換中越不起作用，相應的輻射自由度凍結，從而使有形物質與幅射的能量交換受到限制，兩者才能達到平衡，我們這個宇宙才能以當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±1.2米/秒。1983年第17屆國際計量大會規定新的米定義為：“米是1/299792458秒的時間間隔內光在真空中行程的長度。”由于光速是定義，不確定度為零，從此不再需要任何測量，結束了300多年精密測量C的歷史。

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

1900年，Thomson在總結以往幾百年的物理學時指出：“在已經基本建成的科學大廈中，后輩物理學家似乎只要做一些零碎的修補工作就行了；但是，在物理學晴朗天空的遠處，還有兩朵令人不安的烏云。”這兩朵烏云就是當時無法解釋的黑體輻射和Michel-son—MOrley實驗，正是它們引起了物理學的深刻變革，導致量子力學和相對論的誕生，與此同時出現了兩個基本物理常數h和C。

參考文獻：

[1] [美]威切曼著，復旦大學物理系譯，《量子物理學》，科學出版社，1978年

[2] [美]庫珀著，楊基方、汲長松譯，《物理世界》，海洋出版社，1981年

[3]馬克思恩格斯全集，第32卷