Constante física

Una constante física , a veces llamada constante física fundamental o constante universal , es una magnitud física que no puede explicarse mediante una teoría y, por lo tanto, debe medirse experimentalmente. Se diferencia de una constante matemática , que tiene un valor numérico fijo, pero no implica directamente ninguna medición física.

En ciencia existen muchas constantes físicas, 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 adoptar diversas formas dimensionales : la velocidad de la luz tiene dimensión de ^longitud dividida por tiempo ( T⁻¹L ), mientras que la relación de masas protón-electrón es adimensional .

El término "constante física fundamental" se utiliza a veces para referirse a constantes físicas universales pero adimensionales como las mencionadas anteriormente. ^{[ 1 ]} Sin embargo, cada vez más, los físicos reservan la expresión para el caso más restringido de constantes físicas universales adimensionales , como la constante de estructura fina α , que caracteriza la fuerza de la interacción electromagnética .

Las constantes físicas, como se analiza aquí, no deben confundirse con las constantes empíricas , que son coeficientes o parámetros que se suponen constantes en un contexto dado sin ser fundamentales. ^{[ 2 ]} Algunos ejemplos incluyen el tiempo característico , la longitud característica o el número característico (adimensional) de un sistema dado, o las constantes de los materiales (por ejemplo, la constante de Madelung , la resistividad eléctrica y la capacidad calorífica ) de un material o sustancia en particular.

Las constantes físicas son parámetros de una teoría física que no pueden explicarse mediante dicha teoría. Esto puede deberse a la aparente naturaleza fundamental de la constante o a limitaciones de la teoría. Por consiguiente, las constantes físicas deben medirse experimentalmente. ^{[ 3 ] : 9}

El conjunto de parámetros considerados constantes físicas cambia a medida que cambian los modelos físicos y su carácter fundamental también puede variar. Por ejemplo, c , la velocidad de la luz, se consideró originalmente una propiedad de la luz, un sistema específico. El descubrimiento y la verificación de las ecuaciones de Maxwell vincularon esta magnitud con todo un sistema: el electromagnetismo . Cuando surgió la teoría de la relatividad especial , esta magnitud pasó a entenderse como la base de la causalidad. ^{[ 3 ]} La velocidad de la luz es tan fundamental que ahora define la unidad internacional de longitud .

El número de constantes físicas fundamentales depende de la teoría física que se acepte 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. En conjunto, estas teorías dan cuenta de un total de 19 constantes fundamentales independientes. Sin embargo, no existe una única forma "correcta" de enumerarlas, ya que es una cuestión de elección arbitraria qué cantidades se consideran "fundamentales" y cuáles "derivadas". Uzan ^{[ 3 ]} enumera 22 "constantes fundamentales de nuestro modelo estándar" de la siguiente manera:

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

El número de 19 constantes físicas fundamentales independientes está sujeto a cambios bajo posibles extensiones del Modelo Estándar , en particular por la introducción de la masa del neutrino (equivalente a siete constantes adicionales, es decir, 3 acoplamientos de Yukawa y 4 parámetros de mezcla leptónica ). ^{[ 3 ]}

El descubrimiento de variabilidad en cualquiera de estas constantes sería equivalente al descubrimiento de " nueva física ". ^{[ 3 ]}

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

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

Una misma constante física puede pasar de una categoría a otra a medida que se profundiza 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 en una constante de clase C con el descubrimiento de la relatividad especial . ^{[ 5 ]}

Por definición, las constantes físicas fundamentales están sujetas a medición , por lo que su constancia (independiente tanto del tiempo como de la posición en que se realiza la medición) es necesariamente un resultado experimental y está sujeto a verificación.

En 1937, Paul Dirac especuló que las constantes físicas, como la constante gravitacional o la constante de estructura fina, podrían variar con el tiempo en proporción a la edad del universo . En principio, los experimentos solo pueden establecer un límite superior para la variación relativa anual. Para la constante de estructura fina, este límite superior es relativamente bajo, aproximadamente de 10⁻¹⁷ ^por año (datos de 2008). ^{[ 6 ]}

La constante gravitacional es mucho más difícil de medir con precisión, y las mediciones contradictorias de la década de 2000 inspiraron las controvertidas sugerencias de una variación periódica de su valor en un artículo de 2015. ^{[ 7 ]} 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. ^{[ 8 ]}

De manera similar, en un estudio de 2012 basado en la observación de metanol en una galaxia distante , se estableció un límite superior para el cambio en la relación de masa protón-electrón de ^10⁻⁷ durante un período de 7 mil millones de años (o 10⁻¹⁶ ^por año) . ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Resulta problemático analizar de forma aislada la tasa de cambio propuesta (o la ausencia de ella) de una constante física unidimensional . Esto se debe a que la elección de las unidades es arbitraria, lo que convierte la cuestión de si una constante está cambiando en un artefacto de la elección (y definición) de dichas unidades. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}

Por ejemplo, en el Sistema Internacional de Unidades (SI) , la velocidad de la luz recibió un valor definido en 1983. Por lo tanto, medir experimentalmente la velocidad de la luz en unidades del SI tenía sentido antes de ese año, pero ya no. 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 se definen ahora 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 del SI.

Las pruebas sobre la inmutabilidad de las constantes físicas analizan cantidades adimensionales , es decir, cocientes entre cantidades de dimensiones similares, para evitar este problema. Los cambios en las constantes físicas carecen de significado si dan como resultado un universo observacionalmente indistinguible . Por ejemplo, un "cambio" en la velocidad de la luz c carecería de sentido si estuviera acompañado de un cambio correspondiente en la carga elemental e , _de modo que la expresión e² ^/ (4πε₀ħc ) (la constante de estructura fina) permaneciera inalterada. ^{[ 14 ]}

Cualquier cociente entre constantes físicas de las mismas dimensiones da como resultado una constante física adimensional ; por ejemplo, el cociente entre la masa del protón y la del electrón . La constante de estructura fina α , introducida por Arnold Sommerfeld , es la constante física fundamental adimensional más conocida. Es el valor del cuadrado de la carga elemental expresado en unidades de Planck . Este valor se ha convertido en un ejemplo estándar al analizar la derivabilidad o no derivabilidad de las constantes físicas.

Algunos físicos han explorado la noción de que si las constantes físicas adimensionales tuvieran valores suficientemente diferentes, nuestro Universo sería tan radicalmente distinto que probablemente no habría surgido vida inteligente, y que, por lo tanto, nuestro Universo parece estar finamente ajustado para la vida inteligente. ^{[ 15 ]} El principio antrópico establece una verdad 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, incluyendo la de un creador divino (el ajuste fino aparente es real e intencional), o que el universo es uno de muchos en un multiverso (por ejemplo, la interpretación de los muchos mundos de la mecánica cuántica ), o incluso que, si la información es una propiedad innata del universo y lógicamente inseparable de la conciencia, un universo sin la capacidad de seres conscientes no puede existir.

La tabla que aparece a continuación enumera algunas constantes de uso frecuente y sus valores recomendados por CODATA. Para obtener una lista más completa, consulte la Lista de constantes físicas .

• Lista de notaciones comunes en física
• Lista de constantes matemáticas
• Lista de constantes físicas
• Constante matemática

• Sesenta símbolos , Universidad de Nottingham
• IUPAC – Libro de Oro