Constante física

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

Existen 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 ε ₀ y la carga elemental e . Las constantes físicas pueden adoptar 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 relación de masas protón-electrón , es adimensional .

El término "constante física fundamental" se utiliza a veces para referirse a constantes físicas universales pero dimensionadas como las mencionadas anteriormente. ^[1] Sin embargo, cada vez más los físicos reservan la expresión para el caso más estrecho 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 supone que son constantes en un contexto dado sin ser fundamentales. ^[2] Los ejemplos incluyen el tiempo característico , la longitud característica o el número característico (adimensional) de un sistema dado, o constantes materiales (por ejemplo, la constante de Madelung , la resistividad eléctrica y la capacidad térmica ) de un material o sustancia en particular.

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

El conjunto de parámetros considerados constantes físicas cambia a medida que cambian los modelos físicos y puede cambiar lo fundamentales que parecen. Por ejemplo, , la velocidad de la luz, se consideró originalmente una propiedad de la luz, un sistema específico. El descubrimiento y verificación de las ecuaciones de Maxwell conectaron la misma cantidad con un sistema completo, el electromagnetismo . Cuando surgió la teoría de la relatividad especial , la cantidad 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 .${\estilo de visualización c}$

Mientras que la cantidad física indicada por una constante física no depende del sistema de unidades utilizado 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 un sistema de unidades determinado. Por ejemplo, la velocidad de la luz se define como el valor numérico de299 792 458 cuando se expresa en metros por segundo, la unidad del SI , y tiene el valor numérico de 1 cuando se expresa en las unidades naturales 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.

Desde la revisión de 2019 , todas las unidades del Sistema Internacional de Unidades se han definido en términos de fenómenos naturales fijos, incluidas tres constantes fundamentales: la velocidad de la luz en el vacío, c ; la constante de Planck, h ; y la carga elemental , e . ^{[4] : 128}

Como resultado de las nuevas definiciones, una unidad del SI como el kilogramo se puede escribir en términos de constantes fundamentales y una constante medida experimentalmente, Δ ν _Cs : ^{[4] : 131}

1 kilo = ⁠(299 792 458 ) ²/(6.626 070 15 × 10 ⁻³⁴ )(9 192 631 770 )⁠ ⁠h Δ ν _Cs/c2^​⁠ .

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 la 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 , construidas a partir de ħ , m _e , e y 4 π ε ₀ dan unidades convenientes en física atómica . La elección de las constantes utilizadas conduce a cantidades muy variables.

El número de constantes físicas fundamentales depende de la teoría física aceptada como "fundamental". Actualmente, se trata de la teoría de la relatividad general para la gravitación y del Modelo Estándar para las interacciones electromagnéticas, nucleares débiles y fuertes y para 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 (equivalentes 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 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 de leptones ). ^[3]

El descubrimiento de la variabilidad en cualquiera de estas constantes equivaldría al descubrimiento de una “ nueva física ”. ^[3]

La cuestión de qué constantes son "fundamentales" no es sencilla ni carece de sentido, sino que es una cuestión de interpretación de la teoría física considerada fundamental; como señaló Lévy-Leblond en 1977, no todas las constantes físicas tienen la misma importancia y algunas tienen un papel más importante que otras. Lévy-Leblond en 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 la comprensión de su papel; 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 en una constante de clase C con el descubrimiento de la relatividad especial . ^[5]

Por definición, las constantes físicas fundamentales están sujetas a medición , de modo que su constancia (independiente tanto del tiempo como de la posición de realización de 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 estar sujetas a cambios a lo largo del tiempo en proporción a la edad del universo . En principio, los experimentos solo pueden establecer un límite superior para el cambio relativo por año. En el caso de la constante de estructura fina, este límite superior es comparativamente bajo, de aproximadamente 10 ⁻¹⁷ por año (en 2008). ^[6]

La constante gravitacional 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. ^[7] Sin embargo, si bien 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 ha establecido un límite superior del cambio en la relación de masas entre protones y electrones en 10 ⁻⁷ durante un período de 7 mil millones de años (o 10 ⁻¹⁶ por año) . ^{[9] [10]}

Es problemático discutir la tasa propuesta de cambio (o la falta de ella) de una constante física unidimensional de manera aislada. La razón de esto es que la elección de las unidades es arbitraria, lo que hace que la cuestión de si una constante está experimentando cambios sea un artefacto de la elección (y definición) de las unidades. ^{[11] [12] [13]}

Por ejemplo, en unidades del SI , la velocidad de la luz recibió un valor definido en 1983. Por lo tanto, antes de 1983 tenía sentido medir experimentalmente la velocidad de la luz en unidades del SI, pero ahora no es así. 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 del SI.

Las pruebas sobre la inmutabilidad de las constantes físicas examinan cantidades adimensionales , es decir, proporciones entre cantidades de dimensiones similares, para escapar de este problema. Los cambios en las constantes físicas no tienen sentido si dan como resultado un universo observacionalmente indistinguible . 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 expresión e ² /(4π ε ₀ ħc ) (la constante de estructura fina) permaneciera inalterada. ^[14]

Cualquier relación entre constantes físicas de las mismas dimensiones da como resultado una constante física adimensional , por ejemplo, la relación de masas entre protones y electrones . 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 de Planck . Este valor se ha convertido en un ejemplo estándar cuando se discute la derivabilidad o no derivabilidad de constantes físicas. Introducido por Arnold Sommerfeld , su valor e incertidumbre tal como se determinó 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 1/137 precisamente, que se relacionaba con el número de Eddington , su estimación del número de protones en el Universo. ^[15] 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. ^[16]

Algunos físicos han explorado la noción de que si las constantes físicas adimensionales tuvieran valores suficientemente diferentes, nuestro Universo sería tan radicalmente diferente que la vida inteligente probablemente no habría surgido, y que nuestro Universo, por lo tanto, parece estar finamente ajustado para la vida inteligente. ^{[17] 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, incluida la de un creador divino (el aparente ajuste fino es real e intencional), o que el universo es un universo 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 para seres conscientes no puede existir.

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	Símbolo	Valor [18]	Incertidumbre estándar relativa
carga elemental	${\estilo de visualización e}$	1.602 176 634 × 10 −19  C ‍ [ 19]	0
Constante de gravitación newtoniana	${\estilo de visualización G}$	6.674 30 (15) × 10 −11  m 3 ⋅ kg −1 ⋅ s −2 ‍ [ 20]	2,2 × 10 −5
Constante de Planck	${\estilo de visualización h}$	6.626 070 15 × 10 −34  J⋅Hz −1 ‍ [ 21]	0
velocidad de la luz en el vacío	${\estilo de visualización c}$	299 792 458  m⋅s −1 ‍ [ 22]	0
permitividad eléctrica del vacío	${\displaystyle \varepsilon _{0}}$	8.854 187 8188 (14) × 10 −12  F⋅m −1 ‍ [ 23]	1,6 × 10 −10
permeabilidad magnética al vacío	${\displaystyle \mu_{0}}$	1.256 637 061 27 (20) × 10 −6  N⋅A −2 ‍ [ 24]	1,6 × 10 −10
masa del electrón	${\displaystyle m_{\mathrm {e} }}$	9.109 383 7139 (28) × 10 −31  kg ‍ [ 25]	3,1 × 10 −10
constante de estructura fina	${\displaystyle \alpha = e^{2}/2\varepsilon _{0}hc}$	0,007 297 352 5643 (11) ‍ [ 26]	1,6 × 10 −10
Constante de Josephson	${\displaystyle K_{\mathrm {J}}=2e/h}$	483 597 .8484... × 10 9  Hz⋅V −1 ‍ [ 27]	0
Constante de Rydberg	${\displaystyle R_{\infty }=\alpha ^{2}m_{\mathrm {e} }c/2h}$	10 973 731 .568 157 (12) m −1 ‍ [ 28]	1,1 × 10 −12
Constante de von Klitzing	${\displaystyle R_{\mathrm {K} }=h/e^{2}}$	25 812 .807 45 ... Ω ‍ [ 29]	0

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

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