物理定数

物理定数（基本物理定数または普遍定数とも呼ばれる）とは、理論では説明できないため、実験的に測定する必要がある物理量のことである。これは、固定された数値を持つものの、直接的な物理的測定を伴わない数学定数とは異なる。

科学には多くの物理定数があり、最も広く知られているものとしては、真空中の光速c、重力定数G、プランク定数h、電気定数ε ₀、および素電荷eなどがあります。物理定数はさまざまな次元形式をとることができます。光速は長さを時間で割った次元( T ⁻¹ L ) を持ち、陽子と電子の質量比は無次元です。

「基本物理定数」という用語は、上記のような普遍的だが次元を持つ物理定数を指すために使われることがある。^{[ 1 ]}しかし、物理学者は、電磁相互作用の強さを特徴付ける微細構造定数αのような、より狭い範囲の無次元普遍物理定数に対して、この表現を留保することが増えている。

ここで説明する物理定数は、特定の状況において一定であると仮定されるものの、根本的なものではない経験定数と混同してはならない。[ 2 ]例^{としては、}特定のシステムの特性時間、特性長さ、特性数（無次元）、または特定の材料や物質の材料定数（例えば、マデルング定数、電気抵抗率、比熱容量）などが挙げられる。

物理定数とは、物理理論では説明できないパラメータのことである。これは、定数の明白な基本的性質による場合もあれば、理論の限界による場合もある。したがって、物理定数は実験的に測定されなければならない。^{[ 3 ]： 9}

物理定数とみなされるパラメータのセットは、物理モデルが変化するにつれて変化し、それらがどれほど基本的であるかも変化する可能性があります。たとえば、光速c は、もともと特定のシステムである光の性質と考えられていました。マクスウェル方程式の発見と検証により、同じ量が電磁気学というシステム全体と結び付けられました。特殊相対性理論が登場すると、この量は因果律の基礎として理解されるようになりました。^{[ 3 ]}光速は非常に基本的であるため、現在では国際単位の長さを定義しています。

基本的な物理定数の数は、 「基本」として受け入れられている物理理論によって異なります。現在、重力については一般相対性理論、電磁場、弱い核相互作用、強い核相互作用、および物質場については標準模型がこれに該当します。これらの理論を合わせると、合計19個の独立した基本定数が存在します。しかし、どの量を「基本」とみなし、どの量を「派生」とみなすかは恣意的な選択であるため、それらを列挙する「正しい」方法は一つもありません。Uzan ^{[ 3 ] は}、次のように22個の「標準模型の基本定数」を列挙しています。

• 重力定数G、
• 光速c、​
• プランク定数h、
• クォークとレプトンに対する9つの湯川結合定数（これらの素粒子の静止質量を指定することに相当する）、
• ヒッグス場ポテンシャルの2つのパラメータ、
• クォーク混合行列の4つのパラメータ、
• ゲージ群SU(3) × SU(2) × U(1)の3つの結合定数（または同等に、2つの結合定数とワインバーグ角）、
• 量子色力学真空の位相。

19 個の独立した基本物理定数の数は、標準模型の拡張、特にニュートリノ質量の導入（7 つの追加定数、すなわち 3 つの湯川結合と 4 つのレプトン混合パラメータに相当）によって変更される可能性がある。^{[ 3 ]}

これらの定数のいずれかに変動性が発見されれば、「新しい物理学」の発見に匹敵するだろう。^{[ 3 ]}

どの定数が「基本的」であるかという問題は、単純明快でも無意味でもなく、基本的とみなされる物理理論の解釈の問題である。レヴィ＝ルブロン（1977）が指摘したように、すべての物理定数が同じ重要性を持つわけではなく、中には他の定数よりも深い役割を果たすものもある。レヴィ＝ルブロン（1977）は、定数を3つのタイプに分類するスキームを提案した。

• A：特定の物体の物理的特性
• B：物理現象の一種に特徴的な性質
• C: 普遍定数

同じ物理定数でも、その役割の理解が深まるにつれて、あるカテゴリーから別のカテゴリーへと移行することがあります。これは特に光速に顕著に見られ、光速は最初に測定されたときはクラスA定数（光の特性）でしたが、古典電磁気学の発展に伴いクラスB定数（電磁現象の特性）となり、最終的には特殊相対性理論の発見に伴いクラスC定数となりました。^{[ 5 ]}

定義上、基本的な物理定数は測定の対象となるため、それらが一定であること（測定の実施時間と場所の両方に依存しないこと）は必然的に実験結果であり、検証の対象となる。

1937年、ポール・ディラックは、重力定数や微細構造定数などの物理定数は、宇宙の年齢に比例して時間とともに変化する可能性があると推測した。実験では、原理的には、1年あたりの相対変化の上限しか定めることができない。微細構造定数の場合、この上限は比較的低く、約10⁻¹⁷/年である^（ 2008年時点）。^{[ 6 ]}

重力定数は精密に測定するのがはるかに難しく、2000年代の矛盾した測定結果から、2015年の論文でその値が周期的に変動するという議論を呼ぶ提案がなされた。^{[ 7 ]}しかし、その値は高い精度で知られていないものの、宇宙の遠い過去に発生したIa型超新星を観測できる可能性と、これらの現象に関わる物理法則が普遍的であるという仮定を組み合わせると、過去90億年間の重力定数の上限は年間^10⁻¹⁰未満となる。 ^{[ 8 ]}

同様に、遠方の銀河におけるメタノールの観測に基づく2012年の研究では、陽子と電子の質量比の変化の上限は70億年間で10⁻⁷（または^{1年あたり10⁻¹⁶} ）とされている。 ^{[ 9 ] [ 10 ]}

1次元の物理定数の変化率（または変化がないこと）を単独で議論することは問題がある。その理由は、単位の選択が恣意的であるため、定数が変化しているかどうかという問題は、単位の選択（および定義）の産物となるからである。^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

例えば、SI単位系では、光速は1983年に定義されました。そのため、1983年以前はSI単位系で光速を実験的に測定することに意味がありましたが、現在はそうではありません。同様に、2019年5月以降、プランク定数にも定義値が与えられ、すべてのSI基本単位は基本的な物理定数に基づいて定義されるようになりました。この変更により、キログラムの国際原器は、 SI単位の定義に用いられる最後の物理オブジェクトとしての役割を終えることになります。

物理定数の不変性に関するテストでは、この問題を回避するために、無次元量、つまり同じ次元の量間の比率を調べます。物理定数の変化は、観測的に区別できない宇宙をもたらす場合は意味がありません。たとえば、光速cの「変化」は、素電荷eの対応する変化を伴い、式e ² /2 ε ₀ ch (微細構造定数) が変化しない場合には意味がありません。^{[ 14 ]}

同じ次元の物理定数の比は、無次元の物理定数となる。例えば、陽子と電子の質量比などが挙げられる。アーノルド・ゾンマーフェルトによって導入された微細構造定数αは、最もよく知られている無次元の基本物理定数である。これは、プランク単位で表した素電荷の二乗の値である。この値は、物理定数の導出可能性または非導出可能性を議論する際の標準的な例となっている。

一部の物理学者は、無次元の物理定数が十分に異なる値を持っていた場合、私たちの宇宙は根本的に異なり、知的生命はおそらく出現しなかっただろう、したがって私たちの宇宙は知的生命のために微調整されているように見えるという考えを探求してきました。^{[ 15 ]}人間原理は論理的な自明の理を述べています。つまり、物理定数を測定できる知的存在としての私たちの存在は、私たちのような存在が存在できるような定数が必要であることを意味します。定数の値にはさまざまな解釈があり、神による創造（見かけ上の微調整は実際的かつ意図的である）や、宇宙はマルチバース内の多くの宇宙の1つである（たとえば、量子力学の多世界解釈）、あるいは、情報が宇宙の固有の性質であり、意識と論理的に切り離せないものであるならば、意識を持つ存在の能力を持たない宇宙は存在できない、といった解釈があります。

下の表は、よく使用される定数とそのCODATA推奨値を示しています。より詳細なリストについては、「物理定数リスト」を参照してください。

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• 60のシンボル、ノッティンガム大学
• IUPAC – ゴールドブック