Una constante física , a veces constante física fundamental o constante universal , es una cantidad física que no puede explicarse mediante una teoría y, por tanto, debe medirse experimentalmente. Se diferencia de una constante matemática , que tiene un valor numérico fijo, pero no implica directamente ninguna medición 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 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 relación de masas protón-electrón , es adimensional .
El término "constante física fundamental" se utiliza a veces para referirse a constantes físicas universales pero dimensionales 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 .
La constante física, como se analiza aquí, no debe confundirse con las constantes empíricas , que son coeficientes o parámetros que se supone que son constantes en un contexto determinado sin ser fundamentales. [2] Los ejemplos incluyen el tiempo característico , la longitud característica o el número característico (adimensional) de un sistema dado, o las constantes del material (por ejemplo, constante de Madelung , resistividad eléctrica y capacidad calorífica ) de un material o sustancia en particular.
Las constantes físicas son parámetros de una teoría física que no pueden explicarse por 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 su aspecto fundamental puede cambiar. Por ejemplo, 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 conectan en una misma cantidad todo un sistema, 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 .
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 sí dependen de la elección del sistema unitario. 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 si tuviera 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 puede definirse a voluntad mediante la elección de unidades, la velocidad de la luz en sí es una constante física única.
Desde mayo de 2019, todas las unidades del Sistema Internacional de Unidades se han redefinido 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 SI como el kilogramo se puede escribir en términos de constantes fundamentales y una constante medida experimentalmente, Δ ν Cs : [4] : 131
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 de medida naturales. 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 usar 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, 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 representan 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:
El número de 19 constantes físicas fundamentales independientes está sujeto a cambios bajo posibles extensiones del Modelo Estándar , en particular mediante la introducción de la masa del neutrino (equivalente a siete constantes adicionales, es decir, 3 acoplamientos 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 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 tienen un papel más profundo que otras. Lévy-Leblond 1977 propuso esquemas de clasificación de tres tipos de constantes:
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 que 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 . [5]
Por definición, las constantes físicas fundamentales están sujetas a medición , de modo que el hecho de que sean constantes (independientes tanto del tiempo como de la posición de realización de la medición) es necesariamente un resultado experimental y sujeto a verificación.
Paul Dirac especuló en 1937 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 sólo pueden poner un límite superior al cambio relativo por año. Para la constante de estructura fina, este límite superior es comparativamente bajo, aproximadamente 10 −17 por año (a partir de 2008). [6]
La constante gravitacional es mucho más difícil de medir con precisión, y 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 del metanol en una galaxia lejana. [9] [10]
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 las unidades es arbitraria, lo que hace que la cuestión de si una constante está sufriendo cambios sea un artefacto de la elección (y definición) de las unidades. [11] [12] [13]
Por ejemplo, en unidades SI , a la velocidad de la luz se le dio un valor definido en 1983. Por lo tanto, tenía sentido medir experimentalmente la velocidad de la luz en unidades SI antes de 1983, pero ya no lo es. 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 último objeto físico utilizado en la definición de cualquier unidad SI.
Las pruebas sobre la inmutabilidad de 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 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 sin cambios. [14]
Cualquier relación entre constantes físicas de las mismas dimensiones da como resultado una constante física adimensional , por ejemplo, la relación de masa de protón a electrón . 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 habla de la derivabilidad o no derivabilidad de constantes físicas. Introducido por Arnold Sommerfeld , su valor e incertidumbre determinados en ese momento eran consistentes con 1/137. Esto motivó a Arthur Eddington (1929) a elaborar un argumento de por qué su valor podría ser exactamente 1/137, lo 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. [dieciséis]
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 sintonizado para la vida inteligente. [17] 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 los valores de las constantes, incluida la de un creador divino (el aparente ajuste es real e intencional), o que el universo es uno de muchos universos en un multiverso (por ejemplo, la interpretación de muchos mundos de mecánica cuántica ), o incluso que, si la información es una propiedad innata del universo y lógicamente inseparable de la conciencia, no puede existir un universo sin capacidad para seres conscientes.
La siguiente tabla enumera algunas constantes utilizadas con frecuencia y sus valores recomendados por CODATA. Para obtener una lista más amplia, consulte Lista de constantes físicas .
