물리 상수

3. 주요 물리 상수

물리 상수는 물리 이론에서 설명할 수 없는 매개변수로, 실험을 통해 측정해야 한다.^[4] 물리 상수는 물리 모델의 변화에 따라 그 집합과 기본적인 정도가 달라질 수 있다. 예를 들어, 빛의 속도(''c'')는 처음에는 빛의 속성으로 여겨졌으나, 전자기학의 발전으로 전자기 현상의 특성을 나타내는 상수가 되었고, 특수 상대성 이론에서는 인과성의 기초로 이해되면서 그 중요성이 더욱 커졌다.^[4]

물리 상수가 나타내는 물리량은 단위계에 의존하지 않지만, 그 수치 값은 단위계에 따라 달라진다. 예를 들어, 빛의 속도는 SI 단위로 표현하면 m/s이지만, 플랑크 단위에서는 1이다.

2019년 개정 이후, 국제 단위계의 모든 단위는 ''c'', ''h'', ''e'' 등 고정된 자연 현상을 통해 정의된다.^[3]

자연 단위를 구성하기 위해 차원을 가진 보편적인 물리 상수를 결합하여 원하는 차원의 고정된 양을 정의할 수 있다. 예를 들어, 플랑크 단위는 양자 중력 연구에, 원자 단위는 원자 물리학에 편리한 단위를 제공한다.

아래 표는 주요 물리 상수를 나타낸 것이다.

3. 1. 보편 상수

물리 상수는 해당 이론으로는 설명할 수 없는 물리 이론의 매개변수이다. 이는 상수의 명백한 기본적인 성격 때문이거나 이론의 한계 때문일 수 있다. 결과적으로 물리 상수는 실험적으로 측정해야 한다.^[4]

물리 상수로 간주되는 매개변수 집합은 물리 모델이 변경됨에 따라 변경되며, 얼마나 기본적인지도 변경될 수 있다. 예를 들어, 빛의 속도인 c 는 원래 특정 시스템인 빛의 속성으로 간주되었다. 맥스웰 방정식의 발견과 검증은 동일한 양을 전체 시스템인 전자기학과 연결했다. 특수 상대성 이론이 등장하면서 그 양은 인과성의 기초로 이해되기에 이르렀다.^[4] 빛의 속도는 매우 기본적인 것이어서 이제 국제 미터를 정의한다.

물리 상수가 나타내는 물리량은 해당 물리량을 나타내는 데 사용된 단위계에 의존하지 않지만, 차원을 가진 물리 상수의 수치 값은 단위계 선택에 따라 달라진다. "물리 상수"라는 용어는 물리량을 지칭하며, 특정 단위계 내의 수치 값을 의미하지 않는다. 예를 들어, 빛의 속도는 SI 단위인 초당 미터(m/s)로 표현될 때 299792458의 수치 값을 가지며, 자연 단위인 플랑크 단위의 플랑크 길이/플랑크 시간으로 표현될 때는 1의 수치 값을 갖는다. 빛의 속도 자체는 단위 선택에 따라 수치 값을 임의로 정의할 수 있지만, 하나의 물리 상수이다.

2019년 개정 이후, 국제 단위계의 모든 단위는 진공에서의 빛의 속도인 ''c''; 플랑크 상수, ''h''; 그리고 기본 전하, ''e''를 포함한 세 가지 기본 상수를 포함한 고정된 자연 현상으로 정의되었다.^[3]

새로운 정의의 결과로, 킬로그램과 같은 SI 단위는 기본 상수와 실험적으로 측정된 상수, Δ''ν''_Cs를 사용하여 나타낼 수 있다.^[3]

: 1 kg = .

차원이 있는 보편적인 물리 상수를 결합하여 원하는 차원의 고정된 양을 정의하는 것이 가능하며, 이 속성은 다양한 자연 단위 측정 시스템을 구성하는 데 사용되어 왔다. 사용된 상수의 선택과 배열에 따라 결과적인 자연 단위는 연구 분야에 편리할 수 있다. 예를 들어, ''c'', ''G'', ''ħ'', ''k''_B로 구성된 플랑크 단위는 양자 중력 연구에 사용하기 편리한 크기의 측정 단위를 제공하며, ''ħ'', ''m''_e, ''e'', 4''π''''ε''₀로 구성된 원자 단위는 원자 물리학에서 편리한 단위를 제공한다. 사용된 상수의 선택은 광범위하게 다양한 양을 초래한다.

3. 2. 전자기학 상수

3. 3. 원자 및 핵물리학 상수

3. 4. 물리화학 상수

다음은 정의값인 물리 상수와 이들의 조합으로 만들어진 물리 상수이다. 유효 숫자의 자릿수는 '''무한대'''이며, 끝에는 영원히 0이 이어진다.

• 볼츠만 상수
• 아보가드로 수
• 이상 기체의 몰 부피

3. 5. 기타 상수

4. 무차원 물리 상수

같은 차원을 가진 물리 상수 간의 비율은 무차원 물리 상수를 생성하며, 양성자-전자 질량비가 그 예이다. 미세 구조 상수 ''α''는 가장 잘 알려진 무차원 기본 물리 상수이다. 이는 기본 전하의 제곱 값을 플랑크 단위로 표현한 것이다. 이 값은 물리 상수의 유도 가능성 또는 비유도 가능성을 논의할 때 표준적인 예가 되었다. 아르놀트 조머펠트에 의해 도입되었으며, 당시 결정된 값과 불확실성은 1/137과 일치했다. 이는 아서 에딩턴이 그 값이 정확히 1/137이 될 수 있는 이유에 대한 주장을 구성하도록 동기를 부여했고, 이는 에딩턴 수, 즉 우주에 있는 양성자 수에 대한 그의 추정치와 관련이 있었다.^[15] 1940년대에 이르러 미세 구조 상수의 값이 정확히 1/137에서 상당히 벗어난다는 것이 명확해지면서 에딩턴의 주장을 반박했다.^[16]

5. 물리 상수와 측정

6. 물리 상수의 시간 불변성

정의상 기본 물리 상수는 측정의 대상이므로, 그 상수성(측정 수행 시간과 위치에 독립적임)은 필연적으로 실험 결과이며 검증을 거쳐야 한다.

폴 디랙은 1937년에 중력 상수나 미세 구조 상수와 같은 물리 상수가 우주의 나이에 비례하여 시간에 따라 변할 수 있다고 추측했다. 실험적으로는 원칙적으로 1년당 상대적 변화의 상한을 설정할 수 있을 뿐이다. 미세 구조 상수의 경우, 이 상한은 상대적으로 낮으며, 2008년 기준으로 대략 10⁻¹⁷/년이다.^[6]

중력 상수는 정밀하게 측정하기가 훨씬 더 어려우며, 2000년대에 일어난 상충되는 측정 결과는 2015년 논문에서 그 값의 주기적 변화에 대한 논쟁적인 제안을 촉발시켰다.^[7] 그러나 그 값은 그다지 정밀하게 알려져 있지 않지만, 우주의 먼 과거에 발생한 Ia형 초신성을 관측할 가능성은 이러한 사건에 관련된 물리학이 보편적이라는 가정과 결합하여, 지난 90억 년 동안 중력 상수의 변화에 대해 연간 10⁻¹⁰ 미만의 상한을 설정할 수 있게 해준다.^[8]

마찬가지로, 양성자 대 전자 질량비의 변화에 대한 상한은 2012년 연구에서 먼 은하에서 메탄올 관측을 기반으로 70억 년(또는 연간 10⁻¹⁶) 동안 10⁻⁷로 설정되었다.^[9][10]

단일 ''차원'' 물리 상수의 제안된 변화율(또는 부재)을 개별적으로 논의하는 것은 문제가 있다. 그 이유는 단위 선택이 임의적이어서, 상수가 변화하고 있는지 여부에 대한 질문이 단위의 선택(및 정의)의 인위적인 결과가 되기 때문이다.^[11][12][13]

예를 들어, SI 단위에서 빛의 속도는 1983년에 정의된 값을 갖게 되었다. 따라서 1983년 이전에 SI 단위로 빛의 속도를 실험적으로 측정하는 것은 의미가 있었지만, 지금은 그렇지 않다. 마찬가지로, 2019년 5월부터 플랑크 상수는 정의된 값을 가지며, 모든 SI 기본 단위는 이제 기본 물리 상수를 기준으로 정의된다. 이러한 변화로 인해, 킬로그램 국제 원기는 SI 단위 정의에 사용되는 마지막 물리적 객체로서 퇴출되고 있다.

물리 상수의 불변성에 대한 검증은 이러한 문제를 피하기 위해 ''무차원'' 양, 즉 같은 차원의 양 간의 비율을 살펴본다. 물리 상수의 변화는 ''관측적으로 구별할 수 없는'' 우주를 초래하는 경우 의미가 없다. 예를 들어, 빛의 속도 ''c''의 "변화"는 ''e''²/(4π''ε''₀''ħc'')^영어 (미세 구조 상수)의 표현이 변하지 않도록 기본 전하 ''e''의 해당 변화가 동반된다면 무의미할 것이다.^[14]

7. 미세 조정 우주와 인류 원리

일부 물리학자들은 무차원 물리 상수가 충분히 다른 값을 가졌다면, 우리 우주는 지적 생명체가 나타나기 어려울 정도로 근본적으로 달라졌을 것이며, 따라서 우리 우주는 지적 생명체에 맞게 미세 조정된 것처럼 보인다는 개념을 탐구해 왔다.^[17] 인류 원리는 논리적인 자명한 진실을 말한다. 즉, 물리 상수를 측정할 수 있는 지적 존재로서 우리의 존재는 우리와 같은 존재가 존재할 수 있도록 그러한 상수가 존재해야 함을 필요로 한다. 상수 값에 대한 다양한 해석이 있는데, 여기에는 신성한 창조주(겉보기에 미세 조정은 실제적이고 의도적이다)의 해석, 우주가 다중 우주의 많은 우주 중 하나라는 해석(예: 양자역학의 다세계 해석), 또는 정보가 우주의 내재된 속성이고 의식과 논리적으로 분리될 수 없다면, 의식 있는 존재를 위한 능력이 없는 우주는 존재할 수 없다는 해석이 있다.

참조

_[1] 웹사이트 Fundamental Physical Constants from NIST http://physics.nist.[...] NIST 2016-01-14
_[2] 웹사이트 ISO 80000-1:2022 Quantities and units — Part 1: General https://www.iso.org/[...] 2023-08-31
_[3] 간행물 The International System of Units https://www.bipm.org[...] International Bureau of Weights and Measures 2022-12
_[4] 논문 Varying Constants, Gravitation and Cosmology
_[5] 논문 On the conceptual nature of the physical constants 1977
_[5] 서적 Problems in the Foundations of Physics, Proceedings of the International School of Physics 'Enrico Fermi' Course LXXII, Varenna, Italy, July 25 – August 6, 1977 NorthHolland 1979
_[6] 논문 Frequency Ratio of Al⁺ and Hg⁺ Single-Ion Optical Clocks; Metrology at the 17th Decimal Place https://zenodo.org/r[...]
_[7] 간행물 Measurements of Newton's gravitational constant and the length of day 2015-04
_[8] 간행물 Constraining a Possible Variation of G with Type Ia Supernovae 2014-04-10
_[9] 논문 A Stringent Limit on a Drifting Proton-to-Electron Mass Ratio from Alcohol in the Early Universe https://research.vu.[...] 2012-12-13
_[10] 웹사이트 Phew! Universe's Constant Has Stayed Constant http://www.space.com[...] Space.com 2012-12-14
_[11] 논문 How fundamental are fundamental constants? https://www.tandfonl[...]
_[12] arXiv Comment on time-variation of fundamental constants 2002-08-13
_[13] 논문 Trialogue on the number of fundamental constants 2002
_[14] 간행물 The Constants of Nature; From Alpha to Omega – The Numbers that Encode the Deepest Secrets of the Universe https://archive.org/[...] Pantheon Books
_[15] 서적 The World of Mathematics Simon & Schuster
_[16] 논문 Magic Number: A Partial History of the Fine-Structure Constant
_[17] 서적 Modern Cosmology & Philosophy Prometheus Books 1998
_[18] 문서 The values are given in the so-called ''concise form'', where the number in parentheses indicates the ''[[standard uncertainty]]'' referred to the [[least significant digit]]s of the value.
_[19] 웹사이트 Fundamental Physical Constants http://physics.nist.[...] アメリカ国立標準技術研究所|NIST 2024-06-20
_[20] 문서 [[水|H{{sub|2}}O]] 中, 球, {{Val|25|ul=degC}}
_[21] 웹사이트 2024 Review of Particle Physics https://pdg.lbl.gov/[...] パーティクルデータグループ|Particle Data Group 2019-05-23
_[22] 문서 온도 {{Math|''T'' {{=}} {{Val|273.15|ul=K}}}}、圧力 {{Math|''p'' {{=}} {{Val|100|ul=kPa}}}} における値。
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