In der Physik ist eine Fundamentalkonstante eine Größe, deren Wert fest und universell ist, also überall im Universum gültig ist. Konstanten sind für unser Verständnis des Universums von wesentlicher Bedeutung, da sie die Grundlage vieler Gesetze und Theorien in der Physik bilden. Sie werden auch zur Definition der Maßeinheiten des Internationalen Einheitensystems (SI) verwendet.
Eine Konstante kann nicht aus physikalischen Gesetzen abgeleitet werden und muss möglichst genau experimentell gemessen werden.
Fundamentalkonstanten spielen in der Physik eine entscheidende Rolle, da sie in vielen Grundgleichungen und damit in unserem Verständnis der Welt eine Rolle spielen.
Mit anderen Worten: Diese fundamentalen Konstanten sind untrennbar mit den SI-Basiseinheiten verknüpft, da sie die grundlegenden Eigenschaften des Universums definieren und die präzise Messung und das Verständnis physikalischer Phänomene auf verschiedenen Skalen ermöglichen.
Die sieben Grundkonstanten, die zur Definition der sieben Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems (SI) wesentlich sind, sind:
1. Häufigkeit des Hyperfeinübergangs des Grundzustands des Cäsium-133-Atoms, dargestellt durch (ΔνCs), ist gleich 9.192.631.770 Hz.
Diese Konstante definiert die Sekunde(n).
Ein Cäsium-133-Atom gelangt vom Hyperfeinniveau F=3 zum Hyperfeinniveau F=4, indem es ein Photon mit einer Frequenz von 9.192.631.770 Hz aussendet. Sein Wert hat sich seit der ersten Messung im Jahr 1955 nicht wesentlich verändert. Mit anderen Worten: Eine Sekunde ist definiert als die Dauer von 9.192.631.770 Zyklen dieses Übergangs. Das bedeutet, dass die Sekunde eine äußerst genaue Zeiteinheit ist. Die aktuelle Genauigkeit beträgt etwa 1 Sekunde in 300 Millionen Jahren.
2. Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, dargestellt durch (c), beträgt 299.792.458 m/s.
Diese Konstante definiert den Meter (m).
Die Genauigkeit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt derzeit 1 Teil zu 10^15. Das bedeutet, dass der Messwert 299.792.458 Meter pro Sekunde beträgt mit einer Unsicherheit von 0,000.000.000.000.001 Metern pro Sekunde. Es handelt sich um eine der am genauesten gemessenen physikalischen Konstanten. Die aktuelle Genauigkeit der Lichtgeschwindigkeit entspricht einer Metergenauigkeit von etwa 3 × 10^(-10) oder etwa 30 Nanometern.
3. Planck-Konstante, dargestellt durch (h), ist gleich 6,626 070 15 × 10^(-34) kg m^2 s^-1 (oder J s).
Diese Konstante definiert das Kilogramm (kg).
Das bedeutet, dass das Kilogramm nun als die Masse eines Objekts definiert ist, das eine kinetische Energie von 6,626070 15 × 10^(-34) J hat, wenn es sich mit einer Geschwindigkeit von 1 Meter pro Sekunde bewegt. Die auf der Planckschen Konstante basierende Definition ist unabhängig von einem bestimmten physikalischen Objekt. Die relative Genauigkeit beträgt etwa 2 × 10^(-8), was bedeutet, dass die Masse eines Kilogramms mit einer Unsicherheit von etwa 20 Mikrogramm bekannt ist.
4. Grundgebühr, dargestellt durch (e), ist gleich 1,602 176 634 × 10^(-19) C.
Diese Konstante definiert das Ampere (A).
Die Elementarladung ist die elektrische Ladung, die ein Proton oder ein Elektron trägt. Das Coulomb (C) ist die Einheit der elektrischen Ladung. Sie ist definiert als die Strommenge, die ein Strom von einem Ampere eine Sekunde lang transportiert. Mit anderen Worten, ein Ampere entspricht einem Coulomb pro Sekunde 1 A = 1 C/s. Die Genauigkeit der Elementarladung beträgt derzeit etwa 2,5 × 10^(-8). Das bedeutet, dass der Wert von e mit einer relativen Unsicherheit von etwa 25 Teilen pro Milliarde bekannt ist.
5. Boltzmann-Konstante, dargestellt durch (k), ist gleich 1,380 649 × 10^(-23) J/K.
Diese Konstante definiert das Kelvin (K).
Die Boltzmann-Konstante ist in der statistischen Thermodynamik von wesentlicher Bedeutung. Sie bezieht sich auf die Basiseinheit Joule pro Kelvin (J/K) im SI, da sie die Wärmeenergie mit der absoluten Temperatur in Beziehung setzt. Kelvin ist die thermodynamische Einheit der Temperatur, während Joule die Einheit der Energie ist. Die Genauigkeit von Kelvin beträgt ungefähr 2 × 10^(-8) oder ungefähr 20 Mikrokelvin.
6. Avogadro-Nummer, dargestellt durch (NA), ist gleich 6,022 140 76 × 10^(23) mol^(-1).
Diese Konstante definiert das Mol (Mol).
Die Avogadro-Zahl stellt die Anzahl der Elementareinheiten (Atome oder Moleküle) in einem Mol Materie dar, die für Berechnungen in der Chemie und Materialphysik von entscheidender Bedeutung ist. Ein Mol ist also eine Größe, die genau NA Elementareinheiten enthält, seien es Atome, Ionen, Moleküle oder Teilchen. Die relative Genauigkeit dieses Werts beträgt ungefähr 2,5 × 10^(-8), was bedeutet, dass NA mit einer Unsicherheit von ungefähr 15 Teilen pro Milliarde bekannt ist.
7. Spektrale Lichtintensität der Candela, dargestellt durch (I_c), entspricht 683 Lumen pro Watt.
Diese Konstante definiert die Candela (cd).
Die spektrale Lichtintensität der Candela beträgt bei einer Wellenlänge von 540 × 10^12 Hertz (grünes Licht) genau 683 Lumen pro Watt. Es handelt sich um ein grundlegendes Konzept der Photometrie, das es uns ermöglicht, die menschliche Wahrnehmung von Licht bei verschiedenen Wellenlängen zu quantifizieren und zu vergleichen. Die relative Unsicherheit bei der Realisierung der Candela beträgt derzeit etwa 2 × 10^(-8). Das bedeutet, dass der Wert der Candela mit einer Unsicherheit von etwa 20 Teilen pro Milliarde bekannt ist.
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