Фундамента́льные физи́ческие постоя́нные, постоянные, используемые при описании фундаментальных законов природы и свойств материи. Определяют точность, полноту и единство наших представлений об окружающем мире. В этой роли могут выступать как набор величин, возникающих в теоретических моделях наблюдаемых явлений и входящих в качестве универсальных коэффициентов в соответствующие математические выражения. В результате фундаментальные постоянные приводят к инвариантным соотношениям между измеряемыми величинами. Таким образом, они могут также характеризовать непосредственно измеряемые свойства материи и фундаментальных сил природы. В итоге фундаментальные постоянные совместно с подходящей теорией должны объяснять поведение любой физической системы как на микроскопическом, так и на макроскопическом уровне. Набор постоянных не является фиксированным и тесно связан с выбором системы единиц физических величин. Этот набор может увеличиваться вследствие открытия новых явлений или сокращаться при построении более общих фундаментальных теорий.

Наиболее часто применяемыми постоянными являются: постоянная тяготения G, входящая в закон всемирного тяготения и уравнения общей теории относительности (релятивистской теории гравитации); скорость света c, входящая в уравнения электродинамики и соотношения специальной теории относительности, определяющей единство пространства и времени, а также область релятивистских явлений; постоянная Планка h, входящая в квантовую теорию излучения, уравнения квантовой механики и определяющая связь между микро- и макромиром; заряд электрона e, являющийся элементарным электрическим зарядом и входящий в микроскопические уравнения электродинамики, в частности в закон Кулона; массы электрона m_e и протона m_p; постоянная Больцмана k, определяющая связь между температурой T и характерной энергией ℰ термодинамической системы: ℰ=kТ.

Развитие физики атома, атомного ядра и элементарных частиц потребовало введения ряда новых постоянных. К ним в первую очередь относятся: постоянная Ридберга R_∞ для бесконечной (по сравнению с массой электрона) массы атомного ядра, определяющая атомные спектры излучения; постоянная тонкой структуры α, характеризующая эффекты квантовой электродинамики и тонкую структуру атомных спектров; магнитные моменты электрона и протона μ_e и μ_p; константа Ферми G_F и угол Вайнберга θ_W, характеризующие эффекты слабого взаимодействия; массы m_Z и m_W векторных Z⁰- и W-бозонов, являющихся переносчиками слабого взаимодействия. Важную роль играют астрофизические постоянные. Дальнейшее развитие физики сильных взаимодействий на основе составной кварковой модели адронов и квантовой хромодинамики, несомненно, приведёт к появлению новых постоянных. В случае построения объединённых теорий фундаментальных взаимодействий (электромагнитного, слабого, сильного и гравитационного) удалось бы уменьшить число независимых фундаментальных постоянных. На этом пути сделан пока только первый шаг – создана единая теория электромагнитного и слабого взаимодействий (стандартная модель). В результате удалось связать постоянные G_F, α, θ_W, m_W и m_Z.

Наиболее точные значения фундаментальных постоянных обычно извлекаются из сравнения результатов прецизионных измерений с предсказаниями соответствующих теоретических моделей. Почти все перечисленные выше постоянные являются размерными величинами (исключение составляет постоянная тонкой структуры α). Т. о., численные значения постоянных зависят от выбора системы основных физических единиц и точности их воспроизведения. В итоге возникает довольно сложная процедура согласования значений постоянных на основе метода наименьших квадратов с учётом соотношений, связывающих фундаментальные постоянные. Последнее такое согласование проведено в ноябре 2018 г. и представлено в Интернете (Лаборатория физических измерений). Найденные значения фундаментальных постоянных рекомендованы Комитетом по сбору данных в области науки и техники (CODATA) для международного использования.

Уточнение фундаментальных постоянных имеет важное значение для метрологии, а также способствует открытию ранее неизвестных или устранению существующих противоречий в физическом описании природы.

Использование фундаментальных постоянных приближает нас к решению задачи, впервые выдвинутой во времена Французской революции – установлению «истинной» системы основных физических единиц на «инвариантной основе, фиксированной в природе». Естественные единицы измерения, согласно М. Планку, определяются так, чтобы некоторые из постоянных обратились в единицу (см. Естественные системы единиц). В системе единиц, предложенной Планком, единице приравниваются скорость света c=1, постоянная тяготения G=1 и постоянная Планка ћ=h/2π=1. В этом случае единица массы m_Pl≈ 2,2·10^–5 г (планковская масса), единица длины l_Pl≈1,6·10^–35 м (планковская длина), единица времени t_Pl≈5,4·10^–44 с (планковское время). Планковские единицы находят применение в квантовой гравитации, космологии и моделях объединения всех фундаментальных взаимодействий.

В атомной физике и нерелятивистской квантовой механике широко применяется система атомных единиц (система единиц Хартри). В этой системе приравнены единице масса электрона m_e, величина заряда электрона e и постоянная Планка ћ. Единицей длины служит радиус первой боровской орбиты в атоме водорода a₀≈5,3·10^–9 см, единицей скорости – скорость электрона на первой боровской орбите v₀=αc, энергии – удвоенный потенциал ионизации атома водорода E≈27,2 эВ.

В релятивистской квантовой теории (в частности, в квантовой электродинамике) и физике элементарных частиц обычно используется система единиц, в которой скорость света c=1 и постоянная Планка ћ=1. В этой системе остаётся одна независимая единица, в качестве которой удобно выбрать электронвольт – единицу энергии. При этом квадрат электрического заряда e²=α(4π).

При использовании перечисленных систем единиц существенно упрощается запись уравнений и соотношений в соответствующих физических теориях.

В метрологии идут по другому пути: сохраняя набор традиционных единиц измерения системы СИ, используют фундаментальные постоянные для установления соотношений между единицами физических величин с целью их воспроизведения. При этом возникает единая система взаимосвязанных эталонов основных единиц измерения. Ныне такая система эталонов базируется в основном на квантовых явлениях. Главным элементом этой системы является эталон времени-частоты. Повышение точности измерения скорости света c привело к тому, что оказалось выгоднее фиксировать значение константы c и принять новое определение (1983) единицы длины (метра) как расстояния, проходимого в вакууме плоской электромагнитной волной за (1/c) секунды. Т. о., эталон длины стал связан с эталоном времени-частоты, в результате чего точность воспроизведения единицы длины существенно повысилась. Это привело к значительному повышению точности значения постоянной Ридберга R_∞=α²m_ec/(2h), имеющей размерность обратной длины.

Используя соотношение, описывающее эффект Джозефсона: f=(2e/h)U, где f – частота излучения, U – напряжение, можно воспроизвести единицу электрического напряжения – вольт – путём подбора соответствующей частоты, если зафиксировать значение постоянной Джозефсона K_J=2e/h.

Единицу электрического сопротивления – Ом – реализуют на основе квантового эффекта Холла, который характеризуется квантованным сопротивлением R_H=R_K/i, i=1,2,3,... при фиксировании значения постоянной фон Клитцинга R_K=h/e². Постоянные R_∞, K_J, R_K тесно связаны с постоянной тонкой структуры α=e²/(4πћc), играющей важную роль в согласовании значений фундаментальных постоянных. Наиболее точное значение α, принятое CODATA, получается из сравнения измеренного аномального магнитного момента электрона с результатом вычисления его значения в рамках квантовой электродинамики.

С 20 мая 2019 г. килограмм и ампер определяются на основании фиксированных значений h, c, и e.