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Variación temporal de constantes fundamentales

El término constante física expresa la noción de una magnitud física sujeta a medición experimental que es independiente del tiempo o del lugar del experimento. La constancia (inmutabilidad) de cualquier "constante física" está, por tanto, sujeta a verificación experimental.

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 . [1] Los experimentos realizados desde entonces han puesto límites superiores a su dependencia del tiempo. Esto se refiere específicamente a la constante de estructura fina, la constante gravitacional y la relación de masas entre protones y electrones , para todas las cuales hay esfuerzos en curso para mejorar las pruebas sobre su dependencia del tiempo. [2]

La inmutabilidad de estas constantes fundamentales es una piedra angular importante de las leyes de la física tal como se las conoce actualmente; el postulado de la independencia temporal de las leyes físicas está ligado al de la conservación de la energía ( teorema de Noether ), de modo que el descubrimiento de cualquier variación implicaría el descubrimiento de una ley de fuerza previamente desconocida. [3]

En un contexto más filosófico , la conclusión de que estas cantidades son constantes plantea la pregunta de por qué tienen el valor específico que tienen en lo que parece ser un " universo finamente ajustado ", mientras que su carácter variable significaría que sus valores conocidos son meramente un accidente del momento actual en el que los medimos. [4]

Dimensionalidad

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 un sistema de unidades puede seleccionar arbitrariamente cualquier constante física como su base, lo que hace que la cuestión de qué constante está experimentando un cambio sea un artefacto de la elección de las unidades. [5] [6] [7]

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 lo tiene. Las pruebas sobre la inmutabilidad de las constantes físicas examinan cantidades adimensionales , es decir, relaciones 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 relación e 2 : c (la constante de estructura fina) permaneciera inalterada. [8]

Las unidades naturales son sistemas de unidades basados ​​completamente en constantes fundamentales. En tales sistemas, tiene sentido medir cualquier cantidad específica que no se use en la definición de unidades. Por ejemplo, en las unidades de Stoney , la carga elemental se establece en e = 1 mientras que la constante de Planck reducida está sujeta a medición, ħ ≈ 137,03 , y en las unidades de Planck , la constante de Planck reducida se establece en ħ = 1 , mientras que la carga elemental está sujeta a medición, e ≈ (137,03) 1/2 . La revisión de 2019 del SI expresa todas las unidades base del SI en términos de constantes físicas fundamentales, transformando efectivamente el sistema SI en un sistema de unidades naturales.

Constante de estructura fina

En 1999, se anunció evidencia de variabilidad temporal de la constante de estructura fina basada en la observación de cuásares [9], pero un estudio mucho más preciso basado en moléculas de CH no encontró ninguna variación. [10] [11] En 2008, se publicó un límite superior de 10 −17 por año para la variación temporal, basado en mediciones de laboratorio. [12] Las observaciones de un cuásar del universo de solo 0,8 mil millones de años de antigüedad con el método de análisis de IA empleado en el Very Large Telescope (VLT) encontraron una variación espacial preferida sobre un modelo sin variación a ese nivel. [13]

La variación temporal de la constante de estructura fina es equivalente a la variación temporal de uno o más de los siguientes: velocidad de la luz , constante de Planck , permitividad del vacío y carga elemental , ya que .

Velocidad de la luz

Una velocidad variable de la luz (VSL) es una característica de una familia de hipótesis que establecen que la velocidad de la luz puede, de alguna manera, no ser constante , por ejemplo, que varía en el espacio o el tiempo, o dependiendo de la frecuencia . Las teorías clásicas aceptadas de la física , y en particular la relatividad general , predicen una velocidad constante de la luz en cualquier marco de referencia local y en algunas situaciones predicen variaciones aparentes de la velocidad de la luz dependiendo del marco de referencia, pero este artículo no se refiere a esto como una velocidad variable de la luz. Varias teorías alternativas de la gravitación y la cosmología , muchas de ellas no convencionales, incorporan variaciones en la velocidad local de la luz.

Robert Dicke , en 1957, y varios investigadores a partir de finales de los años 1980 también intentaron incorporar una velocidad variable de la luz a la física .

La VSL no debe confundirse con las teorías de velocidad superior a la luz , su dependencia del índice de refracción de un medio o su medición en el marco de referencia de un observador remoto en un potencial gravitatorio . En este contexto, la "velocidad de la luz" se refiere a la velocidad límite c de la teoría en lugar de a la velocidad de propagación de los fotones .

Constante gravitacional

La constante gravitacional G es difícil de medir con precisión, y las mediciones conflictivas en la década de 2000 han inspirado las controvertidas sugerencias de una variación periódica de su valor en un artículo de 2015. [14] 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 durante los últimos nueve mil millones de años. [15] La cantidad es simplemente el cambio en el tiempo de la constante gravitacional, denotada por , dividido por G .

Como magnitud dimensional, el valor de la constante gravitacional y su posible variación dependerán de la elección de las unidades; en unidades de Planck , por ejemplo, su valor está fijado en G = 1 por definición. Una prueba significativa sobre la variación temporal de G requeriría una comparación con una fuerza no gravitacional para obtener una magnitud adimensional, por ejemplo a través de la relación entre la fuerza gravitacional y la fuerza electrostática entre dos electrones, que a su vez está relacionada con la constante de estructura fina adimensional .

Relación de masas entre protones y electrones

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) . [16] [17]

Constante cosmológica

La constante cosmológica es una medida de la densidad de energía del vacío . Se midió por primera vez, y se descubrió que tenía un valor positivo, en la década de 1990. Actualmente (a partir de 2015) se estima en 10 −122 en unidades de Planck . [18] Las posibles variaciones de la constante cosmológica a lo largo del tiempo o el espacio no son susceptibles de observación, pero se ha observado que, en unidades de Planck, su valor medido es sugestivamente cercano al recíproco de la edad del universo al cuadrado, Λ ≈ T −2 . Barrow y Shaw propusieron una teoría modificada en la que Λ es un campo que evoluciona de tal manera que su valor permanece Λ ~ T −2 a lo largo de la historia del universo. [19]

Véase también

Referencias

  1. ^ PAM Dirac (1938). "Una nueva base para la cosmología". Actas de la Royal Society A . 165 (921): 199–208. Código Bibliográfico :1938RSPSA.165..199D. doi :10.1098/rspa.1938.0053.
  2. ^ Valores recomendados de las constantes físicas fundamentales de CODATA: 2010" (15 de marzo de 2012): "Aunque la posible variación temporal de las constantes sigue siendo un campo activo de investigación tanto experimental como teórica, no se ha observado ninguna variación relevante para los datos en los que se basan los valores recomendados de 2010; véanse, por ejemplo, las revisiones recientes de Uzan (2011) y Chiba (2011). Se pueden encontrar otras referencias en la base de datos bibliográfica del FCDC en physics.nist.gov/constantsbib utilizando, por ejemplo, las palabras clave 'variación temporal' o 'constantes'".
  3. ^ "Cualquier constante que varíe en el espacio y/o en el tiempo reflejaría la existencia de un campo casi sin masa que se acopla a la materia. Esto induciría 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 comprobar su constancia". Uzan (2011)
  4. ^ Uzan (2011), capítulo 7: "¿Por qué las constantes son así?": "Los valores numéricos de las constantes fundamentales no están determinados por las leyes de la naturaleza en las que aparecen. Uno puede preguntarse por qué tienen los valores que observamos. En particular, como señalan muchos autores (ver más abajo), las constantes de la naturaleza parecen estar finamente ajustadas [Leslie (1989)]. Muchos físicos toman este ajuste fino como un explanandum que clama por un explanans, por lo que siguen a Hoyle [(1965)] quien escribió que 'uno debe tener al menos un mínimo de curiosidad acerca de los extraños números adimensionales que aparecen en la física'".
  5. ^ Duff, MJ (2014). "¿Qué tan fundamentales son las constantes fundamentales?". Contemporary Physics . 56 (1): 35–47. arXiv : 1412.2040 . Bibcode :2015ConPh..56...35D. doi :10.1080/00107514.2014.980093. hdl :10044/1/68485. S2CID  118347723.
  6. ^ Duff, MJ (13 de agosto de 2002). "Comentario sobre la variación temporal de constantes fundamentales". arXiv : hep-th/0208093 .
  7. ^ Duff, MJ; Okun, LB; Veneziano, G. (2002). "Diálogo tripartito sobre el número de constantes fundamentales". Journal of High Energy Physics . 2002 (3): 023. arXiv : physics/0110060 . Bibcode :2002JHEP...03..023D. doi :10.1088/1126-6708/2002/03/023. S2CID  15806354.
  8. ^ Barrow, John D. (2002), Las constantes de la naturaleza: de alfa a omega: los números que codifican los secretos más profundos del universo , Pantheon Books, ISBN 0-375-42221-8"Una lección importante que aprendemos de la forma en que los números puros como α definen el mundo es lo que realmente significa que los mundos sean diferentes. El número puro que llamamos constante de estructura fina y denotamos por α es una combinación de la carga del electrón, e , la velocidad de la luz, c , y la constante de Planck, h . Al principio, podríamos sentirnos tentados a pensar que un mundo en el que la velocidad de la luz fuera menor sería un mundo diferente. Pero esto sería un error. Si c , h y e se cambiaran todos de modo que los valores que tienen en unidades métricas (o cualquier otra) fueran diferentes cuando los buscáramos en nuestras tablas de constantes físicas, pero el valor de α permaneciera igual, este nuevo mundo sería observablemente indistinguible de nuestro mundo. Lo único que cuenta en la definición de mundos son los valores de las constantes adimensionales de la Naturaleza. Si se duplicara el valor de todas las masas, no se podría saber, porque todos los números puros definidos por las proporciones de cualquier par de masas no cambian".
  9. ^ Webb, JK; et al. (2001). "Más evidencia de la evolución cosmológica de la constante de estructura fina". Physical Review Letters . 87 (9): 091301. arXiv : astro-ph/0012539v3 . Código Bibliográfico :2001PhRvL..87i1301W. doi :10.1103/PhysRevLett.87.091301. PMID  11531558. S2CID  40461557.
  10. ^ Truppe, S.; Hendricks, RJ; Tokunaga, SK; Lewandowski, HJ; Kozlov, MG; Henkel, Christian; Hinds, EA; Tarbutt, MR (15 de octubre de 2013). "Una búsqueda de constantes fundamentales variables utilizando mediciones de frecuencia a nivel de hercios de moléculas de CH frías". Nature Communications . 4 : 2600. arXiv : 1308.1496 . Bibcode :2013NatCo...4.2600T. doi :10.1038/ncomms3600. PMC 3826645 . PMID  24129439. 
  11. ^ "Los cuásares distantes muestran que las constantes fundamentales nunca cambian". Forbes . 5 de enero de 2017.
  12. ^ Rosenband, T.; et al. (2008). "Relación de frecuencias de relojes ópticos de un solo ion de Al+ y Hg+; metrología en el decimoséptimo lugar decimal". Science . 319 (5871): 1808–12. Bibcode :2008Sci...319.1808R. doi : 10.1126/science.1154622 . PMID  18323415. S2CID  206511320.
  13. ^ Wilczynska, Michael R.; Webb, John K.; et al. (2020). "Cuatro mediciones directas de la constante de estructura fina hace 13 mil millones de años". Science Advances . 6 (17): 9672. arXiv : 2003.07627 . Bibcode :2020SciA....6.9672W. doi : 10.1126/sciadv.aay9672 . PMC 7182409 . PMID  32426462. 
  14. ^ Anderson, JD; Schubert, G.; Trimble, V.; Feldman, MR (abril de 2015), "Medidas de la constante gravitacional de Newton y la duración del día", EPL , 110 (1): 10002, arXiv : 1504.06604 , Bibcode :2015EL....11010002A, doi :10.1209/0295-5075/110/10002, S2CID  119293843
  15. ^ Mould, J.; Uddin, SA (10 de abril de 2014), "Restricción de una posible variación de G con supernovas de tipo Ia", Publications of the Astronomical Society of Australia , 31 : e015, arXiv : 1402.1534 , Bibcode :2014PASA...31...15M, doi :10.1017/pasa.2014.9, S2CID  119292899
  16. ^ Bagdonaite, Julija; Jansen, Paul; Henkel, Christian; Bethlem, Hendrick L.; Menten, Karl M.; Ubachs, Wim (13 de diciembre de 2012). "Un límite estricto en una relación de masas de protones a electrones a la deriva del alcohol en el universo temprano". Science . 339 (6115): 46–48. Bibcode :2013Sci...339...46B. doi : 10.1126/science.1224898 . PMID  23239626. S2CID  716087 . Consultado el 14 de diciembre de 2012 .
  17. ^ Moskowitz, Clara (13 de diciembre de 2012). "¡Ufff! La constante del universo se ha mantenido constante". Space.com . Consultado el 14 de diciembre de 2012 .
  18. ^ Ade, PAR; Aghanim, N. ; Arnaud, M.; Ashdown, M.; Aumont, J.; Baccigalupi, C.; et al. (Planck Collaboration) (octubre de 2016). "Resultados de Planck 2015: XIII. Parámetros cosmológicos". Astronomía y astrofísica . 594 : A13. arXiv : 1502.01589 . Código Bibliográfico :2016A&A...594A..13P. doi : 10.1051/0004-6361/201525830 .
  19. ^ Barrow, John D .; Shaw, Douglas J. (2011), "El valor de la constante cosmológica", Relatividad general y gravitación , 43 (10): 2555–2560, arXiv : 1105.3105 , Bibcode :2011GReGr..43.2555B, doi :10.1007/s10714-011-1199-1, S2CID  55125081