Una constante física , a veces una constante física fundamental o una constante universal , es una cantidad física que generalmente se cree que es de naturaleza universal y tiene un valor constante en el tiempo. Se contrasta con una constante matemática , que tiene un valor numérico fijo, pero no implica directamente ninguna medida física.
Hay muchas constantes físicas en la ciencia, algunas de las más ampliamente reconocidas son la velocidad de la luz en el vacío c , la constante gravitacional G , la constante de Planck h , la constante eléctrica ε 0 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 delinteracción electromagnética , es adimensional .
El término constante física fundamental se usa a veces para referirse a constantes físicas universales pero dimensionadas como las mencionadas anteriormente. [1] Cada vez más, sin embargo, los físicos solo usan la constante física fundamental para las constantes físicas adimensionales , como la constante de estructura fina α .
La constante física, como se discutió aquí, no debe confundirse con otras cantidades llamadas "constantes", que se supone que son constantes en un contexto dado sin ser fundamentales, como la " constante de tiempo " característica de un sistema dado, o las constantes materiales ( por ejemplo, constante de Madelung , resistividad eléctrica y capacidad calorífica ).
Desde mayo de 2019, todas las unidades base 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 partículas atómicas. -entidades de escala.
Elección de unidades
Mientras que la cantidad física indicada por una constante física no depende del sistema unitario utilizado para expresar la cantidad, los valores numéricos de las constantes físicas dimensionales dependen de la elección del sistema unitario. El término "constante física" se refiere a la cantidad física y no al valor numérico dentro de cualquier sistema de unidades dado. Por ejemplo, la velocidad de la luz se define teniendo el valor numérico de299 792 458 cuando se expresa en la unidad SI metros por segundo, y tiene el valor numérico de 1 cuando se expresa en las 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 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 protón-electrón . Cualquier relación entre cantidades físicas puede expresarse como una relación entre proporciones adimensionales a través de un proceso conocido como no dimensionalización .
El término "constante física fundamental" se reserva para las magnitudes 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 gravitacional G .
La constante de estructura fina α es la constante física fundamental adimensional mejor conocida. Es el valor de la carga elemental al cuadrado expresado en unidades de Planck . Este valor se ha convertido en un ejemplo estándar cuando se habla de 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 exactamente 1/137, que se relacionaba con el número de Eddington , su estimación del número de protones en el Universo. [2] 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, refutando el argumento de Eddington. [3]
Sin embargo, con el desarrollo de la química cuántica en el siglo XX, una gran cantidad de constantes físicas adimensionales previamente inexplicables se calcularon 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 k B dan unidades de medida de tamaño conveniente para su uso en estudios de gravedad cuántica , y las unidades atómicas de Hartree , construidas a partir de ħ , m e , e y 4 π ε 0 proporcionan unidades 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 existe una única forma "correcta" de enumerarlos, ya que es una cuestión de elección arbitraria qué cantidades se consideran "fundamentales" y cuáles "derivadas". Uzan (2011) enumera 22 "constantes desconocidas" en las teorías fundamentales, que dan lugar a 19 "parámetros adimensionales desconocidos", de la siguiente manera:
- la constante gravitacional G ,
- la velocidad de la luz c ,
- la constante de Planck h ,
- los 9 acoplamientos Yukawa para los quarks y leptones (equivalente a especificar la masa en reposo de estas partículas elementales ),
- 2 parámetros del potencial de campo de Higgs ,
- 4 parámetros para la matriz de mezcla de quark ,
- 3 constantes de acoplamiento para los grupos de calibres SU (3) × SU (2) × U (1) (o de manera 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 , notablemente por la introducción de masa de neutrinos (equivalente a siete constantes adicionales, es decir, 3 acoplamientos Yukawa y 4 parámetros de mezcla de leptones ). [4]
El descubrimiento de la variabilidad en cualquiera de estas constantes equivaldría al descubrimiento de una " nueva física ". [5]
La cuestión de qué constantes son "fundamentales" no es sencilla ni sin sentido, sino una cuestión de interpretación de la teoría física considerada fundamental; como señala Lévy-Leblond 1977 , no todas las constantes físicas tienen la misma importancia, y algunas tienen un papel más profundo que otras. Lévy-Leblond 1977 propuso esquemas 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 la comprensión de su función; Esto ha sucedido en particular 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 clase C constante con el descubrimiento de la relatividad especial . [6]
Pruebas de independencia del tiempo
Por definición, las constantes físicas fundamentales están sujetas a medición , por lo que su constante (independiente tanto del tiempo como de la posición de 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). [7]
La constante gravitacional es mucho más difícil de medir con precisión, y las mediciones contradictorias de la década de 2000 han inspirado las controvertidas sugerencias de una variación periódica de su valor en un artículo de 2015. [8] 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 gravitacional durante los últimos nueve mil millones de años. [9]
De manera similar, un límite superior del cambio en la relación de masa de protón a electrón 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. [10] [11]
Es problemático discutir la tasa de cambio propuesta (o la falta de ella) de una constante física unidimensional de forma aislada. La razón de esto es que la elección de 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. [12] [13] [14]
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 lo es ahora. De manera similar, a partir de mayo de 2019, la constante de Planck tiene un valor definido, de modo que todas las unidades base 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 miran 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 observacionalmente . 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 / (4π ε 0 ħc ) (la constante de estructura fina) permaneciera sin cambios. [15]
Universo afinado
Algunos físicos han explorado la noción de que si las constantes físicas adimensionales tuvieran valores suficientemente diferentes, nuestro Universo sería tan radicalmente diferente que probablemente no habría surgido vida inteligente y que, por lo tanto, nuestro Universo parece estar afinado para la vida inteligente. Sin embargo, el espacio de fase de las posibles constantes y sus valores es incognoscible, por lo que las conclusiones extraídas de tales argumentos no se respaldan. El principio antrópico establece una obviedad 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 los valores de las constantes, incluida la de un creador divino (el aparente ajuste fino es real e intencional), o que el nuestro es un universo de muchos en un multiverso (por ejemplo, la interpretación de muchos mundos de cuántica mecánica ), o incluso que, 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. [dieciséis]
Tabla de constantes físicas
La siguiente tabla enumera algunas constantes de uso frecuente y sus valores recomendados CODATA. Para obtener una lista más extensa, consulte Lista de constantes físicas .
Cantidad | Símbolo | Valor [17] | Incertidumbre estándar relativa |
---|---|---|---|
carga elemental | 1,602 176 634 × 10 −19 C [18] | Exacto por definición | |
Constante newtoniana de gravitación | 6.674 30 (15) × 10 −11 m 3 ⋅kg −1 ⋅s −2 [19] | 2,2 × 10 −5 | |
Constante de Planck | 6.626 070 15 × 10 −34 J⋅Hz −1 [20] | Exacto por definición | |
velocidad de la luz en el vacío | 299 792 458 ms −1 [21] | Exacto por definición | |
permitividad eléctrica de vacío | 8.854 187 8128 (13) × 10 −12 F⋅m −1 [22] | 1,5 × 10 −10 | |
permeabilidad magnética al vacío | 1.256 637 062 12 (19) × 10 -6 N⋅A -2 [23] | 1,5 × 10 −10 | |
masa de electrones | 9.109 383 7015 (28) × 10 −31 kg [24] | 3,0 × 10 −10 | |
constante de estructura fina | 7.297 352 5693 (11) × 10 −3 [25] | 1,5 × 10 −10 | |
Constante de Josephson | 483 597 0.8484 ... × 10 9 Hz⋅V -1 [26] | 0 | |
Constante de Rydberg | 10 973 731 0,568 160 (21) m −1 [27] | 1,9 × 10 −12 | |
constante de von Klitzing | 25 812 .807 45 ... Ω [28] | 0 |
Ver también
- Lista de notaciones físicas comunes
Referencias
- ^ "Constantes físicas fundamentales de NIST" . Archivado desde el original el 13 de enero de 2016 . Consultado el 14 de enero de 2016 . NIST
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Cualquier variación constante en el espacio y / o el tiempo reflejaría la existencia de un campo casi sin masa que se acopla a la materia. Esto inducirá una violación de la universalidad de la caída libre. Por lo tanto, es de suma importancia para nuestra comprensión de la gravedad y del dominio de validez de la relatividad general probar su constancia.
- ^ Uzan, Jean-Philippe (2011). "Constantes variables, gravitación y cosmología" . Reseñas vivientes en relatividad . 14 (1): 2. arXiv : 1009.5514 . Bibcode : 2011LRR .... 14 .... 2U . doi : 10.12942 / lrr-2011-2 . PMC 5256069 . PMID 28179829 .
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enlaces externos
- Sesenta símbolos , Universidad de Nottingham
- IUPAC - Libro de oro