Constante física

Una constante física, a veces constante física fundamental o constante universal, es una cantidad física que generalmente se cree que es de naturaleza universal y tienen un valor constante en el tiempo. Se contrasta con una constante matemática, que tiene un valor numérico fijo, pero que no implica directamente ninguna medida física.

Hay muchas constantes físicas en la ciencia, algunas de las más reconocidas son la velocidad de la luz en el vacío c, la constante gravitacional G, la constante de Planck h, la constante eléctrica ε₀, y la carga elemental e. Las constantes físicas pueden tomar muchas formas dimensionales: la velocidad de la luz significa una velocidad máxima para cualquier objeto y su dimensión es la longitud dividida por el tiempo; mientras que la constante de estructura fina α, que caracteriza la fuerza de la interacción electromagnética, es adimensional.

El término constante física fundamental se usa a veces para referirse a constantes físicas universales pero dimensionadas como las mencionadas anteriormente. Sin embargo, cada vez más, los físicos solo usan constante física fundamental para constantes físicas adimensionales, como la constante de estructura fina α.

La constante física, como se analiza aquí, no debe confundirse con otras cantidades llamadas "constantes", que se supone que son constantes en un contexto determinado sin ser fundamentales, como la "constante de tiempo& #34; característica de un sistema dado, o constantes materiales (por ejemplo, constante de Madelung, resistividad eléctrica y capacidad calorífica).

Desde mayo de 2019, todas las unidades básicas del SI se han definido en términos de constantes físicas. Como resultado, cinco constantes: la velocidad de la luz en el vacío, c; la constante de Planck, h; la carga elemental, e; la constante de Avogadro, N_A; y la constante de Boltzmann, k_B, tienen valores numéricos exactos conocidos cuando se expresan en unidades SI. Las tres primeras de estas constantes son constantes fundamentales, mientras que N_A y k_B son solo de naturaleza técnica.: no describen ninguna propiedad del universo, sino que solo dan un factor de proporcionalidad para definir las unidades utilizadas con un gran número de entidades a escala atómica.

Elección de unidades

Mientras que la cantidad física indicada por una constante física no depende del sistema de unidades usado para expresar la cantidad, los valores numéricos de las constantes físicas dimensionales sí dependen de la elección del sistema de unidades. El término "constante física" se refiere a la cantidad física, y no al valor numérico dentro de cualquier sistema dado de unidades. Por ejemplo, la velocidad de la luz se define con el valor numérico de 299792458 cuando se expresa en la unidad SI metros por segundo y tiene el valor numérico de 1 cuando se expresa en unidades naturales de longitud de Planck por tiempo de Planck. Si bien su valor numérico se puede definir a voluntad mediante la elección de unidades, la velocidad de la luz en sí misma es una constante física única.

Cualquier relación entre constantes físicas de las mismas dimensiones da como resultado una constante física adimensional, por ejemplo, la relación de masa de protones a electrones. Cualquier relación entre cantidades físicas puede expresarse como una relación entre proporciones adimensionales a través de un proceso conocido como adimensionalización.

El término de "constante física fundamental" está reservado para cantidades físicas que, según el estado actual del conocimiento, se consideran inmutables y no derivables de principios más fundamentales. Ejemplos notables son la velocidad de la luz c y la constante gravitatoria G.

La constante de estructura fina α es la constante física fundamental adimensional más conocida. Es el valor de la carga elemental al cuadrado expresado en unidades Planck. Este valor se ha convertido en un ejemplo estándar cuando se analiza la derivabilidad o no derivabilidad de las constantes físicas. Introducido por Arnold Sommerfeld, su valor determinado en ese momento era consistente con 1/137. Esto motivó a Arthur Eddington (1929) a construir un argumento de por qué su valor podría ser precisamente 1/137, lo que se relacionaba con el número de Eddington, su estimación del número de protones en el Universo. En la década de 1940, quedó claro que el valor de la constante de estructura fina se desvía significativamente del valor preciso de 1/137, lo que refutó el argumento de Eddington.

Con el desarrollo de la química cuántica en el siglo XX, sin embargo, una gran cantidad de constantes físicas adimensionales que antes eran inexplicables fueron calculadas con éxito a partir de la teoría. A la luz de eso, algunos físicos teóricos todavía esperan un progreso continuo en la explicación de los valores de otras constantes físicas adimensionales.

Se sabe que el Universo sería muy diferente si estas constantes tomaran valores significativamente diferentes a los que observamos. Por ejemplo, un pequeño cambio porcentual en el valor de la constante de estructura fina sería suficiente para eliminar estrellas como nuestro Sol. Esto ha provocado intentos de explicaciones antrópicas de los valores de algunas de las constantes físicas fundamentales adimensionales.

Unidades naturales

Es posible combinar constantes físicas universales dimensionales para definir cantidades fijas de cualquier dimensión deseada, y esta propiedad se ha utilizado para construir varios sistemas de unidades naturales de medida. Dependiendo de la elección y disposición de las constantes utilizadas, las unidades naturales resultantes pueden ser convenientes para un área de estudio. Por ejemplo, las unidades de Planck, construidas a partir de c, G, ħ y kB, brindan unidades de medida de tamaño conveniente para usar en estudios de gravedad cuántica, y las unidades atómicas de Hartree, construidas a partir de ħ, me, e y 4πε0, brindan unidades convenientes en física atómica. La elección de las constantes utilizadas conduce a cantidades muy variables.

Número de constantes fundamentales

El número de constantes físicas fundamentales depende de la teoría física aceptada como "fundamental". Actualmente, esta es la teoría de la relatividad general para la gravitación y el Modelo Estándar para las interacciones electromagnéticas, nucleares débiles y fuertes y los campos de materia. Entre ellas, estas teorías dan cuenta de un total de 19 constantes fundamentales independientes. Sin embargo, no hay un solo mensaje "correcto" manera de enumerarlos, ya que es una cuestión de elección arbitraria qué cantidades se consideran "fundamentales" y cuál como "derivado". Uzan (2011) enumera 22 "constantes desconocidas" en las teorías fundamentales, que dan lugar a 19 "parámetros adimensionales desconocidos", como sigue:

• la constante gravitacional G,
• la velocidad de la luz c,
• el Planck constante h,
• los 9 acoplamientos Yukawa para los quarks y leptons (equivalente a especificar la masa de resto de estas partículas elementales),
• 2 parámetros del potencial de campo Higgs,
• 4 parámetros para la matriz de mezcla de quark,
• 3 constantes de acoplamiento para los grupos de calibre SU(3) × SU(2) × U(1) (o equivalente, dos constantes de acoplamiento y el ángulo de Weinberg),
• una fase para el vacío QCD.

El número de 19 constantes físicas fundamentales independientes está sujeto a cambios bajo posibles extensiones del modelo estándar, especialmente por la introducción de la masa de neutrino (equivalente a siete constantes adicionales, es decir, 3 acoplamientos Yukawa y 4 parámetros de mezcla de leptones).

El descubrimiento de la variabilidad en cualquiera de estas constantes sería equivalente al descubrimiento de la "nueva física".

La cuestión de qué constantes son "fundamentales" no es sencillo ni sin sentido, sino una cuestión de interpretación de la teoría física considerada como fundamental; como lo señaló Lévy-Leblond 1977, no todas las constantes físicas tienen la misma importancia, algunas tienen un papel más profundo que otras. Lévy-Leblond 1977 propuso un esquema de clasificación de tres tipos de constantes:

• A: propiedades físicas de objetos particulares
• B: característica de una clase de fenómenos físicos
• C: constantes universales

La misma constante física puede pasar de una categoría a otra a medida que se profundiza en la comprensión de su función; esto ha sucedido notablemente con la velocidad de la luz, que era una constante de clase A (característica de la luz) cuando se midió por primera vez, pero se convirtió en una constante de clase B (característica de los fenómenos electromagnéticos) con el desarrollo del electromagnetismo clásico, y finalmente una constante de clase C constante con el descubrimiento de la relatividad especial.

Pruebas de independencia temporal

Por definición, las constantes físicas fundamentales están sujetas a medición, por lo que el hecho de que sean constantes (independientemente del tiempo y la posición de la realización de la medición) es necesariamente un resultado experimental y sujeto a verificación.

Paul Dirac en 1937 especuló que las constantes físicas como la constante gravitacional o la constante de estructura fina podrían estar sujetas a cambios con el tiempo en proporción a la edad del universo. En principio, los experimentos solo pueden poner un límite superior al cambio relativo por año. Para la constante de estructura fina, este límite superior es comparativamente bajo, en aproximadamente 10⁻¹⁷ por año (a partir de 2008).

La constante gravitatoria es mucho más difícil de medir con precisión, y las mediciones contradictorias en la década de 2000 han inspirado las controvertidas sugerencias de una variación periódica de su valor en un artículo de 2015. Sin embargo, aunque su valor no se conoce con gran precisión, la posibilidad de observar supernovas de tipo Ia que ocurrieron en el pasado remoto del universo, junto con la suposición de que la física involucrada en estos eventos es universal, permite un límite superior. de menos de 10⁻¹⁰ por año para la constante gravitatoria durante los últimos nueve mil millones de años.

Del mismo modo, un límite superior del cambio en la relación de masa de protones a electrones se ha colocado en 10⁻⁷ durante un período de 7 mil millones de años (o 10⁻¹⁶ por año) en un estudio de 2012 basado en la observación de metanol en una galaxia distante.

Es problemático discutir la tasa de cambio propuesta (o la falta de ella) de una sola constante física dimensional aisladamente. La razón de esto es que la elección de las unidades es arbitraria, por lo que la cuestión de si una constante está experimentando cambios es un artefacto de la elección (y definición) de las unidades.

Por ejemplo, en unidades SI, a la velocidad de la luz se le dio un valor definido en 1983. Por lo tanto, era significativo medir experimentalmente la velocidad de la luz en unidades SI antes de 1983, pero no es así ahora. De manera similar, a partir de mayo de 2019, la constante de Planck tiene un valor definido, de modo que todas las unidades básicas del SI ahora se definen en términos de constantes físicas fundamentales. Con este cambio, el prototipo internacional del kilogramo se retira como el último objeto físico utilizado en la definición de cualquier unidad SI.

Las pruebas sobre la inmutabilidad de las constantes físicas analizan cantidades adimensionales, es decir, relaciones entre cantidades de dimensiones similares, para evitar este problema. Los cambios en las constantes físicas no son significativos si dan como resultado un universo indistinguible desde el punto de vista de la observación. Por ejemplo, un "cambio" en la velocidad de la luz c no tendría sentido si estuviera acompañado por un cambio correspondiente en la carga elemental e de modo que la relación e ²/(4πε₀ħc) (la constante de estructura fina) permanecido sin cambios.

Universo afinado

Algunos físicos han explorado la noción de que si las constantes físicas adimensionales tuvieran valores lo suficientemente diferentes, nuestro Universo sería tan radicalmente diferente que la vida inteligente probablemente no habría surgido y, por lo tanto, nuestro Universo parece estar ajustado para la vida inteligente.. Sin embargo, el espacio de fase de las posibles constantes y sus valores no se puede conocer, por lo que las conclusiones extraídas de tales argumentos no tienen fundamento. El principio antrópico establece una perogrullada lógica: el hecho de nuestra existencia como seres inteligentes que pueden medir constantes físicas requiere que esas constantes sean tales que seres como nosotros puedan existir. Hay una variedad de interpretaciones de las constantes' valores, incluido el de un creador divino (el ajuste fino aparente es real e intencional), o que el nuestro es un universo de muchos en un multiverso (por ejemplo, la interpretación de muchos mundos de la mecánica cuántica), o incluso eso, si la información es una propiedad innata del universo y lógicamente inseparable de la conciencia, un universo sin la capacidad de los seres conscientes no puede existir.

Se ha descubierto que las constantes y cantidades fundamentales de la naturaleza están ajustadas a un rango tan extraordinariamente estrecho que, de no ser así, no se permitiría el origen y la evolución de la vida consciente en el universo.

Tabla de constantes físicas

La siguiente tabla enumera algunas constantes de uso frecuente y sus valores recomendados por CODATA. Para obtener una lista más amplia, consulte Lista de constantes físicas.

Cantidad	Signatura	Valor	Relativo estándar incertidumbre
Cargo elemental	e{displaystyle e}	1.602176634×10−19C	0
Constante newtoniana de la gravedad	G{displaystyle G.	6.67430(15)×10−11 -m3⋅kg−1⋅s−2	2.2×10; 5 -
Planck constante	h{displaystyle h}	6.62607015×10−34−J⋅Hz−1	0
velocidad de la luz en vacío	c{displaystyle c}	299792458m⋅s−1	0
permiso eléctrico vacío	ε ε 0{displaystyle varepsilon ¿Qué?	8.8541878128(13)×10−12F⋅m−1	1,5×10−10
permeabilidad magnética	μ μ 0{displaystyle mu _{0}}	1.25663706212(19)×10−6N⋅A−2	1,5×10−10
masa de electrones	me{displaystyle m_{mathrm {}}}	9.1093837015(28)×10−31 -kg	3.0×10−10
constante de estructura fina	α α =e2/2ε ε 0hc{displaystyle alpha =e^{2}/2varepsilon ¿Qué?	7.2973525693(11)×10−3	1,5×10−10
Josephson constante	KJ=2e/h{displaystyle K_{mathrm {J} }=2e/h}	4835978484...×109Hz⋅V−1	0
Rydberg constante	RJUEGO JUEGO =α α 2mec/2h{displaystyle R_{infty }=alpha ^{2}m_{mathrm {e}c/2h}	10973731.568160(21) m−1	1.9×10−12
Von Klitzing constante	RK=h/e2{displaystyle R_{mathrm {K}=h/e^{2}	25812.80745... Ω	0