最終更新日: 2024 年 3 月 27 日

物理学の 7 つの基本定数

基本定数とは何ですか?

物理学において、基本定数とは、その値が固定かつ普遍的な、つまり宇宙のどこでも有効な量です。定数は物理学における多くの法則と理論の基礎であるため、宇宙を理解するためには不可欠です。これらは、国際単位系 (SI) の測定単位を定義するためにも使用されます。
定数は物理法則から推定することはできず、できるだけ正確に実験的に測定する必要があります。

基本定数は多くの基本方程式に関与し、したがって世界の理解に関与するため、物理学において重要な役割を果たします。
言い換えれば、これらの基本定数は宇宙の基本特性を定義し、さまざまなスケールでの物理現象の正確な測定と理解を可能にするため、これらの基本定数は本質的に SI 基本単位に関連付けられています。

物理学の 7 つの基本定数は何ですか?

国際単位系 (SI) の 7 つの基本単位を定義するために不可欠な 7 つの基本定数は次のとおりです。

1. セシウム 133 原子の基底状態の超微細遷移の周波数(ΔνCs) で表される、9,192,631,770 Hz に等しい。
この定数は秒を定義します。
セシウム 133 原子は、9,192,631,770 Hz の周波数の光子を放出することによって、超微細準位 F=3 から超微細準位 F=4 に移行します。その値は 1955 年に初めて測定されて以来、大きく変わっていません。言い換えれば、1 秒は、この遷移の 9,192,631,770 サイクルの継続時間として定義されます。これは、秒が非常に正確な時間単位であることを意味します。現在の精度は3億年に1秒程度です。

2. 真空中の光の速度(c) で表される、299,792,458 m/s に等しい。
この定数はメートル (m) を定義します。
真空中の光の速度の精度は現在、10^15 分の 1 です。これは、測定値が 299,792,458 メートル/秒、不確かさが 0.000,000,000,000,001 メートル/秒であることを意味します。これは、最も正確に測定される物理定数の 1 つです。現在の光速度の精度は、メートル精度に換算すると約 3 × 10^(-10)、つまり約 30 ナノメートルになります。

3. プランク定数(h) で表される、6.626 070 15 × 10^(-34) kg m^2 s^-1 (または J s) に等しい。
この定数はキログラム (kg) を定義します。
これは、キログラムが毎秒 1 メートルの速度で移動するときに 6.626070 15 × 10^(-34) J の運動エネルギーを持つ物体の質量として定義されることを意味します。プランク定数に基づく定義は、特定の物理的オブジェクトから独立しています。相対精度は約 2 × 10^(-8) で、これは、1 キログラムの質量が約 20 マイクログラムの不確かさで既知であることを意味します。

4. 初級料金(e) で表される、1.602 176 634 × 10^(-19) C に等しい。
この定数はアンペア (A) を定義します。
素電荷は、陽子または電子によって運ばれる電荷です。クーロン（C）は電荷の単位です。 1 アンペアの電流によって 1 秒間に流れる電気量として定義されます。言い換えれば、1 アンペアは 1 クーロン/秒に等しい、1 A = 1 C/s。素電荷の精度は現在約 2.5 × 10^(-8) です。これは、e の値が約 25 ppb の相対不確実性で既知であることを意味します。

5. ボルツマン定数(k) で表される、1.380 649 × 10^(-23) J/K に等しい。
この定数はケルビン (K) を定義します。
ボルツマン定数は統計熱力学において不可欠です。熱エネルギーは絶対温度に関連付けられるため、SI のジュール/ケルビン (J/K) の基本単位に関連します。ケルビンは温度の熱力学的単位であり、ジュールはエネルギーの単位です。ケルビンの精度は約 2 × 10^(-8)、つまり約 20 マイクロケルビンです。

6. アボガドロ数(NA) で表される、6.022 140 76 × 10^(23) mol^(-1) に等しい。
この定数はモル (mol) を定義します。
アボガドロ数は、物質 1 モル内の基本的な実体 (原子または分子) の数を表します。これは、化学および材料物理学の計算に非常に重要です。したがって、モルは、原子、イオン、分子、粒子のいずれであっても、正確に NA 個の基本実体を含む量です。この値の相対精度は約 2.5 × 10^(-8) で、NA は約 15 ppb の不確かさで既知であることを意味します。

7. カンデラのスペクトル光強度(I_c) で表される、1 ワットあたり 683 ルーメンに等しい。
この定数はカンデラ (cd) を定義します。
カンデラのスペクトル光強度は、540 × 10^12 ヘルツ (緑色光) の波長で 683 ルーメン/ワットに正確に等しくなります。これは測光の基本的な概念であり、さまざまな波長での光の人間の知覚を定量化し、比較することができます。カンデラの実現における相対的な不確実性は、現在約 2 × 10^(-8) です。これは、カンデラの値が約 20 ppb の不確実性で既知であることを意味します。