Естественные системы единиц

Наряду с практическими системами физических величин в физике используются системы, в основу которых положены фундаментальные универсальные физические постоянные:

G=6,67*10−11 Н*м2/кг2 — гравитационная постоянная;

с=3,0*108м/с — скорость света в вакууме;

h=1,055*10−34Дж*с — постоянная Планка-Дирака;

k=1,38*10 -23Дж/К — постоянная Больцмана;

Na=6,02*10 231/моль — число Авогадро;

е=1,6*10−19Кл — заряд электрона;

mе=9,1*10−31кг — масса покоя электрона и др.

Размер основных единиц здесь определяется законами природы. Этим естественная система единиц отличается от других систем, в которых выбор обусловлен требованиями практических измерений.

По идее М. Планка, предложившего в 1906 г. впервые в качестве основных величин h, c, G, к — она является независимой от земных условий и пригодна для любых времен и мест Вселенной. Она названа в честь М. Планка. Ею пользуются в космологии. Она особенно эффективна, например, в теории «черных дыр» и теории ранней Вселенной. Кроме этой системы предложен целый ряд других систем единиц (Р. Льюиса Д. Хартри, А. Руарка, П. Дирака, А. Грески и др.).

Для естественных систем единиц характерны чрезвычайно малые размеры единиц длины, массы, времени (например, в системе Планка l=4,03*10−35м, m=5,42*10−8кг, t=1,34*10−43с), и, наоборот, громадные размеры температуры T=3,63*1032К. Вследствие этого, естественные системы единиц крайне неудобны для практических измерений. Точность воспроизведения единиц на несколько порядков ниже, чем основных единиц в СИ, т. к. ограничивается точность значений физических констант. Однако в теоретической физике естественные системы единиц позволяют иногда упростить уравнения и дает некоторые другие преимущества (например, система Хартри позволяет упростить уравнения квантовой механике).

При построении естественных систем единиц фундаментальные постоянные, выбранные в качестве основных единиц, равны безразмерной единице. С учетом этого в системе единиц М. Планка можно характеризовать соотношением h=c=G=к=l.

В системе, предложенной английским физиком Д. Хартри в 1928 году называемой системой атомных единиц, применяются соотношения e=mе=h=1.Основными единицами являются заряд электрона (е=1,6 021 892*10−19Кл), масса покоя электрона (me=9,109 534*10−31кг), первый боровский радиус орбиты атома водорода (r0=5,29 177 706*10−9м) и постоянная Планка-Дирака.

(h=1,545 887*10−34Дж*с).

Выбор размеров физических единиц, естественных систем единиц произволен. Этот выбор определяют значения коэффициентов в различных физических соотношениях. В естественных системах единиц принимаются за единицу сами эти коэффициенты, являющиеся мировыми постоянными, и при этом выполняются единицы различных физических величин. Таким образом, вид соответствующих уравнений физики значительно упрощается. В различных областях физики применяются различные естественные системы единиц, в которых уравнения освобождаются от коэффициентов, содержат различные постоянные. Удобство введенных естественных систем единиц состоит в том, что параметры атомных объектов в этих системах по размеру не сильно отличаются от единицы, и в то же время упрощаются основные уравнения теории. Производные величины в естественных системах единиц являются комбинацией из основных величин. При этом оказывается, что с заданной размерностью из основных величин можно получить только одну комбинацию, которая и образует производную величину заданной размерностью. Например, время в системе Хартри t=h3/(mе*e4).

Релятивистская система единиц: используется в квантовой электродинамике и характеризуется соотношением c=mе=h=1.

Таким образом, в отличие от всех других систем единиц, в которых выбор основных единиц обусловлен требованиями практики, измерений, в естественных системах единиц размер основных величин определяется явлениями природы.