Luonnonvakio

Luonnonvakio on suure, jonka numeerinen arvo on universaali eli riippumaton paikasta tai ajasta. Luonnonvakiota voidaan verrata matemaattiseen vakioon, kuten piihin. Luonnonvakioita ovat muun muassa Planckin vakio h, valon nopeus tyhjiössä c, gravitaatiovakio γ ja tyhjiön permittiivisyys eli sähkövakio ε0. Näiden ilmoitetut lukuarvot saattavat muuttua historian saatossa, mutta se johtuu mittaustekniikoiden parantumisesta tai käytetystä yksikköjärjestelmästä, ei vakion arvon muuttumisesta. 

Vuonna 1937 Paul Dirac esitti, että vakiot saattavat pienentyä suoraan verrannollisesti maailmankaikkeuden ikään. Sittemmin on kokeellisesti pyritty etsimään hypoteettisen luonnonvakioiden muuttumisen ylärajaa aikayksikköä kohti. Protonin ja elektronin massojen suhde on pysynyt 0,00001 prosentin tarkkuudella samana ainakin viimeiset seitsemän miljardia vuotta.

 Dimensiolliset ja dimensiottomat luonnonvakiot 
Dimensiollisten luonnovakioiden lukuarvo riippuu käytettävistä yksiköistä. Koska yksiköt ovat vain sopivasti määriteltyjä määriä suuretta, ei mikään teoria voi ennustaa dimensiollisten luonnonvakioiden arvoja. Esimerkiksi valonnopeus määritellään tavallisesti yksiköllä metriä per sekunti, jolloin saadaan arvoksi 299 792 458. Jos valonnopeus määriteltäisiin vaikkapa kilometreinä sekunnissa, olisi sen arvo 299 792,458.

Dimensiottomien luonnonvakioiden lukuarvot eivät riipu käytettävistä yksiköistä, koska yksiköt supistuvat pois. Ne ovat tavallisesti saman dimensioisten vakioiden osamääriä. Koska dimensiottomat vakiot ovat pelkkiä lukuja on mahdollista, että jokin tulevaisuuden teoria ennustaa niiden arvon. Kaikki luonnonlait voidaan ilmaista ilman dimensiollisia luonnonvakioita poistamalla yhtälöistä kaikki yksiköt (), jolloin jäljelle jää vain dimensiottomia vakioita. Tämän vuoksi dimensiottomia vakioita kutsutaan myös perustavanlaatuisiksi luonnonvakioiksi ().

Hienorakennevakio α on yksi tunnetuimmista dimensiottomista vakioista. Sen arvo on mitattu varsin tarkasti (7,297 352 5376 x 10-3)
, mutta sitä ei ole lukuisista yrityksistä huolimatta toistaiseksi pystytty johtamaan mistään teoriasta. Toinen tunnettu esimerkki on protonin ja elektronin massojen suhde eli  mp/me, joka on lukuarvoltaan noin 1836,152 672 47.

Osalle luonnonvakioista voidaan nykyisin ilmoittaa tarkat arvot, koska SI-järjestelmässä perusyksiköt on määritelty niiden avulla.

 Yleiset luonnonvakiot 
VakioTunnusArvoSuhteellinen epätarkkuusvalonnopeus299 792 458 m·s−1tarkka (seuraa yksiköiden määritelmistä)Gravitaatiovakio6,67428(67) × 10–11 m3·kg−1·s−21,0 × 10−4Planckin vakio6,626 070 15 × 10−34 J·starkka (seuraa yksiköiden määritelmistä)redusoitu Planckin vakio (Diracin vakio)1,054 571 818 × 10−34 J·s

 Sähkömagneettiset vakiot 
VakioTunnusArvoSuhteellinen epätarkkuusTyhjiön permeabiliteetti eli magneettivakio1,256 637 062 12(13) × 10−6 N·A−21,5 × 10-13Tyhjiön permittiivisyys eli sähkövakio8,854 187 817 8128(13) × 10−12 F·m−11,5 × 10-13Tyhjiön karakteristinen impedanssi376,730 313 461... Ω1,5 × 10-13Coulombin vakio8,987 551 792... × 109 N·m²·C−21,5 × 10-13Alkeisvaraus1,602 176 634 × 10−19 Ctarkka (seuraa yksiköiden määritelmistä)Bohrin magnetoni927,400 915(23) × 10−26 J·T−12,5 × 10−8Konduktanssikvantti7,748 091 7004(53) × 10−5 StarkkaKonduktanssikvantin käänteisarvo12 906,403 7787(88) ΩtarkkaJosephsonin vakio4,835 978 91(12) × 1014 Hz·V−1tarkkaMagneettivuon kvantti2,067 833 667(52) × 10−15 WbtarkkaYdinmagnetoni5,050 783 43(43) × 10−27 J·T−18,6 × 10−8von Klitzingin vakio25 812,807 557(18) Ωtarkka<noinclude>

 Atomi- ja ydinfysiikan vakiot 
{| class="wikitable"
|-
!Vakio
!Tunnus
!Arvo
!Suhteellinen epätarkkuus
|- 
| colspan=1 |Bohrin säde
|
|5,291 772 108(18) × 10−11 m
|3,3 × 10−9
|-
| colspan=1 |Klassinen elektronin säde
|
|2,817 940 2894(58) × 10−15 m
|2,1 × 10−9
|-
| colspan=1 |Elektronin massa
|
| 9,109 382 15(45) × 10−31 kg
|5,0 × 10−8
|-
|colspan=1 | Fermin kytkentävakio
|
|1,166 39(1) × 10−5 GeV−2
|8,6 × 10−6
|-
|colspan=1 |Hienorakennevakio
|
|7,297 352 537 6(50) × 10−3
|6,8 × 10−10
|-
|colspan=1 |Hartreen energia
|
|4,359 744 17(75) × 10−18 J
|1,7 × 10−7
|-
|colspan=1 |Protonin massa
|
| 1,672 621 637(83) × 10−27 kg
|5,0 × 10<sup>−8<sup>
|-
|colspan=1 |Kiertoliikekvantti
|
|3,636 947 550(24) × 10−4 m² s−1
|6,7 × 10−9
|-
|colspan=1 |Rydbergin vakio
|
|10 973 731,568 525(73) m−1
|6,6 × 10−12
|-
|colspan=1 |Thomsonin vaikutusala
|
|6,652 458 73(13) × 10−29 m²
|2,0 × 10−8
|-
|colspan=1 |Weinbergin kulma 
|
|0,222 15(76)</td>
3,4 × 10−3
|-
|}<noinclude>

 Kemian ja termodynamiikan vakiot 
VakioTunnus ja lausekeArvoSuhteellinen epätarkkuusAtomimassayksikkö (1/12-osa hiili-12-atomin massasta)1,660 538 86(28) × 10−27 kg1,7 × 10−7Avogadron vakio6,022 140 76 × 1023 mol−1tarkkaBoltzmannin vakio1,380 649 × 10−23 J·K−1tarkkaFaradayn vakio96 485,332 123 310 0184 C·mol−1tarkkaEnsimmäinen säteilyvakio 3,741 771 18(19) × 10−16 W·m²spektaaliselle säteilylle1,191 042 82(20) × 10−16 W·m² sr−11,7 × 10−7Loschmidtin vakiokun =273.15 K ja =101,325 kPa2,686 777 3(47) × 1025 m−31,8 × 10−6Kaasuvakio8,314 462 618 153 24 J·K−1·mol−1tarkkaMolaarinen Planckin vakio3,990 312 716(27) × 10−10 J·s·mol−16,7 × 10−9Ideaalikaasun moolitilavuuskun =273.15 K ja =100 kPa2,2710 954 64... × 10−2 m³·mol−1tarkkakun =273.15 K ja =101.325 kPa2,2413 969 54... × 10−2 m³·mol−1tarkkaSackur-Tetroden vakiokun =1 K ja =100 kPa −1,151 704 7(44)3,8 × 10−6kun =1 K ja =101,325 kPa−1,164 867 7(44)3,8 × 10−6Toinen säteilyvakiot1,438 775 2(25) × 10−2 m·KtarkkaStefanin-Boltzmannin vakio5,670 400(40) × 10−8 W·m−2·K−4tarkkaWienin siirtymälain vakio 4,965 114 231...2,897 768 5(51) × 10−3 m·Ktarkka<noinclude>

 Lähteet 

*