Constante física

Uma constante física, às vezes constante física fundamental ou constante universal, é uma quantidade física que geralmente se acredita ser de natureza universal e tem valor constante no tempo. É diferente de uma constante matemática, que tem um valor numérico fixo, mas não envolve diretamente nenhuma medida física.

Existem muitas constantes físicas na ciência, algumas das mais amplamente reconhecidas são a velocidade da luz no vácuo c, a constante gravitacional G, a constante de Planck h, a constante elétrica ε₀ e a carga elementar e. As constantes físicas podem assumir muitas formas dimensionais: a velocidade da luz significa uma velocidade máxima para qualquer objeto e sua dimensão é o comprimento dividido pelo tempo; enquanto a razão de massa próton-elétron é adimensional.

O termo "constante física fundamental" às vezes é usado para se referir a constantes físicas universais, mas dimensionadas, como as mencionadas acima. Cada vez mais, no entanto, os físicos reservam a expressão para o caso mais restrito de constantes físicas universais adimensionais, como a constante de estrutura fina α, que caracteriza a força da interação eletromagnética.

A constante física, como discutido aqui, não deve ser confundida com outras quantidades chamadas "constantes", que são coeficientes ou parâmetros assumidos como constantes em um determinado contexto sem serem fundamentais, como o "constante de tempo" característica de um determinado sistema, ou constantes de materiais (por exemplo, constante de Madelung, resistividade elétrica e capacidade de calor).

Desde maio de 2019, todas as unidades básicas do SI são definidas em termos de constantes físicas. Como resultado, cinco constantes: a velocidade da luz no vácuo, c; a constante de Planck, h; a carga elementar, e; a constante de Avogadro, N_A; e a constante de Boltzmann, k_B, têm valores numéricos exatos conhecidos quando expressos em unidades SI. As três primeiras dessas constantes são constantes fundamentais, enquanto N_A e k_B são apenas de natureza técnica: eles não descrevem nenhuma propriedade do universo, mas apenas fornecem um fator de proporcionalidade para definir as unidades usadas com grandes números de entidades em escala atômica.

Escolha das unidades

Enquanto a quantidade física indicada por uma constante física não depende do sistema de unidades usado para expressar a quantidade, os valores numéricos das constantes físicas dimensionais dependem da escolha do sistema de unidades. O termo "constante física" refere-se à quantidade física, e não ao valor numérico dentro de um determinado sistema de unidades. Por exemplo, a velocidade da luz é definida como tendo o valor numérico de 299792458 quando expresso na unidade SI metros por segundo, e como tendo o valor numérico de 1 quando expresso em unidades naturais de comprimento de Planck por tempo de Planck. Embora seu valor numérico possa ser definido à vontade pela escolha das unidades, a velocidade da luz em si é uma única constante física.

Qualquer razão entre constantes físicas de mesmas dimensões resulta em uma constante física adimensional, por exemplo, a razão de massa próton-elétron. Qualquer relação entre quantidades físicas pode ser expressa como uma relação entre proporções adimensionais por meio de um processo conhecido como adimensionalização.

O termo de "constante física fundamental" é reservado para quantidades físicas que, de acordo com o estado atual do conhecimento, são consideradas imutáveis e não deriváveis de princípios mais fundamentais. Exemplos notáveis são a velocidade da luz c e a constante gravitacional G.

A constante de estrutura fina α é a constante física fundamental adimensional mais conhecida. É o valor da carga elementar ao quadrado expresso em unidades de Planck. Este valor tornou-se um exemplo padrão ao discutir a derivabilidade ou não derivabilidade de constantes físicas. Introduzido por Arnold Sommerfeld, seu valor determinado na época era consistente com 1/137. Isso motivou Arthur Eddington (1929) a construir um argumento de por que seu valor poderia ser precisamente 1/137, relacionado ao número de Eddington, sua estimativa do número de prótons no Universo. Na década de 1940, ficou claro que o valor da constante de estrutura fina desvia significativamente do valor preciso de 1/137, refutando o argumento de Eddington.

Com o desenvolvimento da química quântica no século 20, no entanto, um grande número de constantes físicas adimensionais anteriormente inexplicáveis foram calculadas com sucesso a partir da teoria. À luz disso, alguns físicos teóricos ainda esperam um progresso contínuo na explicação dos valores de outras constantes físicas adimensionais.

Sabe-se que o Universo seria muito diferente se estas constantes assumissem valores significativamente diferentes dos que observamos. Por exemplo, uma pequena variação percentual no valor da constante de estrutura fina seria suficiente para eliminar estrelas como o Sol. Isso levou a tentativas de explicações antrópicas dos valores de algumas das constantes físicas fundamentais adimensionais.

Unidades naturais

É possível combinar constantes físicas universais dimensionais para definir quantidades fixas de qualquer dimensão desejada, e essa propriedade tem sido usada para construir vários sistemas de unidades naturais de medida. Dependendo da escolha e arranjo das constantes usadas, as unidades naturais resultantes podem ser convenientes para uma área de estudo. Por exemplo, as unidades de Planck, construídas a partir de c, G, ħ e kB fornecem unidades de medida de tamanho conveniente para uso em estudos de gravidade quântica, e as unidades atômicas de Hartree, construídas a partir de ħ, me, e e 4πε0 fornece unidades convenientes em física atômica. A escolha das constantes usadas leva a quantidades amplamente variáveis.

Número de constantes fundamentais

O número de constantes físicas fundamentais depende da teoria física aceita como "fundamental". Atualmente, esta é a teoria da relatividade geral para a gravitação e o Modelo Padrão para as interações eletromagnéticas, nucleares fracas e fortes e os campos de matéria. Entre elas, essas teorias respondem por um total de 19 constantes fundamentais independentes. Não existe, no entanto, um único "correto" maneira de enumerá-los, pois é uma questão de escolha arbitrária quais quantidades são consideradas "fundamentais" e qual como "derivado". Uzan (2011) lista 22 "constantes desconhecidas" nas teorias fundamentais, que dão origem a 19 "parâmetros adimensionais desconhecidos", como segue:

• a constante gravitacional G,
• a velocidade da luz c,
• a constante Planck h,
• os 9 acoplamentos de Yukawa para os quarks e leptons (equivalente a especificar a massa restante dessas partículas elementares),
• 2 parâmetros do potencial de campo Higgs,
• 4 parâmetros para a matriz de mistura de quark,
• 3 constantes de acoplamento para os grupos de calibre SU(3) × SU(2) × U(1) (ou equivalente, duas constantes de acoplamento e o ângulo de Weinberg),
• uma fase para o vácuo QCD.

O número de 19 constantes físicas fundamentais independentes está sujeito a alterações em possíveis extensões do Modelo Padrão, nomeadamente pela introdução de massa de neutrinos (equivalente a sete constantes adicionais, ou seja, 3 acoplamentos de Yukawa e 4 parâmetros de mistura de leptões).

A descoberta da variabilidade em qualquer uma dessas constantes seria equivalente à descoberta de "nova física".

A questão de quais constantes são "fundamentais" não é simples nem sem sentido, mas uma questão de interpretação da teoria física considerada fundamental; como apontado por Lévy-Leblond 1977, nem todas as constantes físicas são da mesma importância, com algumas tendo um papel mais profundo do que outras. Lévy-Leblond 1977 propôs um esquema de classificação de três tipos de constantes:

• A: propriedades físicas de objetos particulares
• B: característica de uma classe de fenômenos físicos
• C: constantes universais

A mesma constante física pode passar de uma categoria para outra à medida que a compreensão de seu papel se aprofunda; isso aconteceu notavelmente com a velocidade da luz, que era uma constante de classe A (característica da luz) quando foi medida pela primeira vez, mas tornou-se uma constante de classe B (característica de fenômenos eletromagnéticos) com o desenvolvimento do eletromagnetismo clássico e, finalmente, uma classe C constante com a descoberta da relatividade especial.

Testes de independência de tempo

Por definição, as constantes físicas fundamentais estão sujeitas a medição, pelo que a sua constante (independente tanto do tempo como da posição de realização da medição) é necessariamente um resultado experimental e passível de verificação.

Paul Dirac em 1937 especulou que as constantes físicas, como a constante gravitacional ou a constante de estrutura fina, podem estar sujeitas a mudanças ao longo do tempo na proporção da idade do universo. Os experimentos podem, em princípio, apenas colocar um limite superior na mudança relativa por ano. Para a constante de estrutura fina, este limite superior é comparativamente baixo, em aproximadamente 10⁻¹⁷ por ano (a partir de 2008).

A constante gravitacional é muito mais difícil de medir com precisão, e medições conflitantes nos anos 2000 inspiraram as controversas sugestões de uma variação periódica de seu valor em um artigo de 2015. No entanto, embora seu valor não seja conhecido com grande precisão, a possibilidade de observar supernovas do tipo Ia que ocorreram no passado remoto do universo, aliada à suposição de que a física envolvida nesses eventos é universal, permite um limite superior de menos de 10⁻¹⁰ por ano para a constante gravitacional nos últimos nove bilhões de anos.

Da mesma forma, um limite superior da mudança na proporção de massa de próton para elétron foi colocado em 10⁻⁷ durante um período de 7 bilhões de anos (ou 10⁻¹⁶ por ano) em um estudo de 2012 baseado na observação de metanol em uma galáxia distante.

É problemático discutir a taxa de mudança proposta (ou a falta dela) de uma única constante física dimensional isoladamente. A razão para isso é que a escolha das unidades é arbitrária, tornando a questão de saber se uma constante está passando por mudança um artefato da escolha (e definição) das unidades.

Por exemplo, em unidades SI, a velocidade da luz recebeu um valor definido em 1983. Assim, era significativo medir experimentalmente a velocidade da luz em unidades SI antes de 1983, mas não é assim agora. Da mesma forma, a partir de maio de 2019, a constante de Planck tem um valor definido, de modo que todas as unidades de base do SI agora são definidas em termos de constantes físicas fundamentais. Com essa mudança, o protótipo internacional do quilograma está sendo retirado como o último objeto físico usado na definição de qualquer unidade do SI.

Testes sobre a imutabilidade das constantes físicas analisam quantidades adimensionais, ou seja, proporções entre quantidades de dimensões semelhantes, a fim de escapar desse problema. Mudanças nas constantes físicas não são significativas se resultarem em um universo observacionalmente indistinguível. Por exemplo, uma "mudança" na velocidade da luz c não teria sentido se acompanhado por uma mudança correspondente na carga elementar e de modo que a expressão e ²/(4πε₀ħc) (a constante de estrutura fina) permaneceu inalterado.

Universo ajustado

Alguns físicos exploraram a noção de que se as constantes físicas adimensionais tivessem valores suficientemente diferentes, nosso Universo seria tão radicalmente diferente que a vida inteligente provavelmente não teria surgido, e que nosso Universo, portanto, parece estar ajustado para a vida inteligente. No entanto, o espaço de fase das possíveis constantes e seus valores é incognoscível, portanto, quaisquer conclusões tiradas de tais argumentos não são suportadas. O princípio antrópico afirma um truísmo lógico: o fato de nossa existência como seres inteligentes que podem medir constantes físicas exige que essas constantes sejam tais que seres como nós possam existir. Há uma variedade de interpretações das constantes' valores, incluindo o de um criador divino (o aparente ajuste fino é real e intencional), ou que o universo é um universo de muitos em um multiverso (por exemplo, a interpretação de muitos mundos da mecânica quântica), ou mesmo isso, se a informação é uma propriedade inata do universo e logicamente inseparável da consciência, um universo sem a capacidade de seres conscientes não pode existir.

Tabela de constantes físicas

A tabela abaixo lista algumas constantes usadas com frequência e seus valores CODATA recomendados. Para uma lista mais extensa, consulte Lista de constantes físicas.

Quantidade	Símbolo	Valor	Relativo padrão incerteza
carga elementar	eNão.	1.602176634×10.-19.C	0
Constante Newtoniana de gravitação	GNão. G.	6.67430(15)×10.- Sim.m3< <)- Sim.⋅s-2	2.2×10.-5
Planck constante	hNão.	6.62607015×10.- 34.J⋅Hz- Sim.	0
velocidade da luz no vácuo	cNão.	299792458M⋅s- Sim.	0
permissão elétrica de vácuo	ε ε 0{displaystyle varepsilon _{0}}	8.8541878128(13)×10.-12.FAMÍLIOS- Sim.	1.5.×10.- Sim.
permeabilidade magnética de vácuo	μ μ 0{displaystyle mu _{0}}	1.25663706212(19)×10.-6N.-2	1.5.×10.- Sim.
massa de elétrons	me{displaystyle m_{mathrm {e} }}	9.1093837015(28)×10.- Não.kg	3.0.×10.- Sim.
constante de estrutura fina	α α = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =e2/2ε ε 0hc{displaystyle alfa =e^{2}/2varepsilon _{0}hc	7.2973525693(11)×10.-3	1.5.×10.- Sim.
Josephson constante	KKJJ= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =2e/h- Sim. Não. Não.	4835978484...×10.9Hz⋅V- Sim.	0
constante de Rydberg	R∞ ∞ = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =α α 2mec/2hNão. R_{infty ^{2}m_{mathrm {e} }c/2h}	10.973731.568160(21)- Sim.	1.×10.-12.
Von Klitzing constante	RKK= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = =h/e2(exibição R_{mathrm (K) }=h/e^{2}}	25812.80745... Ω	0