Imagen: Líneas de absorción de elementos químicos.
Cuando un elemento químico es atravesado por luz blanca, el espectro de colores que nos llega está salpicado de líneas negras.
Estas líneas son la firma de los elementos químicos atravesados por la luz.
Gracias a estas líneas podemos conocer la composición química de la atmósfera de una estrella.
Para el mismo elemento, las líneas de absorción corresponden a las líneas de emisión (ver los 2 espectros en la parte inferior de la imagen). Un elemento químico absorbe la radiación que es capaz de emitir. Las líneas de absorción y emisión tienen la misma longitud de onda. Es decir, las líneas negras del espectro de absorción del litio corresponden a las líneas de colores de su espectro de emisión.
La cuestión de por qué el universo tiene constantes físicas es una cuestión profunda y compleja que todavía suscita mucha reflexión entre científicos y filósofos.
Su existencia podría deberse a las condiciones iniciales del universo durante el Big Bang o a propiedades profundas de la realidad fundamental que aún no comprendemos.
De hecho, las condiciones iniciales del universo podrían fijar los valores de las constantes que luego influyeron en la evolución y la estructura del universo tal como lo conocemos.
Algunos teóricos evocan la idea de un multiverso, donde nuestro universo sería sólo una entre muchas realidades posibles. En este contexto, las constantes podrían variar de un universo a otro, y nuestro universo poseería los valores que permiten el surgimiento de vida y observadores conscientes.
En lo que respecta a nuestro mundo material, las constantes de la física son valores "fijos" que determinan las propiedades fundamentales del universo en su conjunto, desde lo infinitamente pequeño hasta lo infinitamente grande. Estas constantes son necesarias para describir y predecir el comportamiento de los fenómenos físicos así como las propiedades de la materia y la energía a diferentes escalas.
Estas constantes permiten mantener la coherencia de las leyes físicas y dar cuenta de la diversidad de fenómenos observados a diferentes escalas. También son herramientas que nos permiten estudiar y probar los límites de nuestras teorías científicas (Gravitación Newtoniana, Relatividad Especial, Mecánica Cuántica, Electrodinámica Cuántica, Relatividad General, etc.).
Para que la física moderna se desarrolle, necesita leyes universales. Estas leyes permiten repetir experiencias, aquí y en otros lugares, hoy y mañana, dentro de un marco que es el Universo.
Por tanto, las constantes desempeñan un papel central en las teorías físicas.
Paradójicamente, las constantes pueden variar durante períodos de tiempo muy largos. Pero esto no impide estructurar los dominios de validez de las diferentes teorías físicas y astrofísicas.
N.B.: Las constantes utilizan 3 unidades fundamentales de la física, que son el kilogramo (símbolo kg), el metro (símbolo m) y el segundo (símbolo s). Si bien el valor de una constante está íntimamente ligado al valor arbitrario del metro, el kilogramo y el segundo, preferimos definir relaciones (relaciones de masa, relaciones de fuerza, etc.) para evitar errores de cálculo.
(G) Constante gravitacional universal: G = ≈ 6,674 × 10^-11 m^3/kg/s^2.
Esta constante define la fuerza gravitacional entre dos masas cualesquiera. Fue definido por el físico inglés Isaac Newton (1643-1727) en su importante publicación "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica" llamada simplemente "Principia", publicada en 1687.
(e) Carga elemental: e ≈ 1,602 × 10^-19 C.
Esta constante es la unidad más pequeña de carga eléctrica transportada por un electrón o un protón. Fue definido entre 1777 y 1785 por el físico francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806) durante experimentos sobre interacciones eléctricas entre cargas eléctricas.
(kₑ) Constante eléctrica: kₑ ≈ 8,988 × 10^9 N m²/C².
Esta constante define la fuerza eléctrica entre cargas en el vacío. Fue definido en 1785 por el físico francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806).
(ε₀) Constante de permitividad del vacío: ε₀ ≈ 8,854 × 10^-12 F/m.
Esta constante describe la intensidad de la interacción eléctrica entre cargas en el vacío, es decir la capacidad del vacío para permitir la propagación de campos eléctricos. Fue definido por el físico británico James Clerk Maxwell (1831-1879).
(c) Velocidad de la luz en el vacío: c ≈ 299.792.458 m/s.
Esta constante es la velocidad máxima a la que la información o la energía puede viajar a través del universo. Fue definida entre 1881 y 1887 con gran precisión por Albert Abraham Michelson (1852-1931) en sus experimentos de medición de la velocidad de la luz mediante interferómetros.
(h) Constante de Planck: h ≈ 6,626 × 10^-34 J s.
Esta constante relaciona la energía de una partícula con su frecuencia. Fue definida en 1900 por el físico alemán Max Planck (1858-1947) como parte de su trabajo sobre la radiación del cuerpo negro.
(α) Constante de estructura fina: α ≈ 1/137.
Esta constante caracteriza la fuerza electromagnética y mide la intensidad de las interacciones electromagnéticas entre cargas. Fue introducido por primera vez en 1916 por el físico inglés Arnold Sommerfeld (1868-1951) y calculado con precisión por físicos como Richard Feynman (1918-1988) y otros.
(mₑ) Masa en reposo del electrón: mₑ ≈ 9,109 × 10^-31 kg.
Esta constante es la masa intrínseca del electrón en reposo. Fue introducido por Albert Abraham Michelson (1852-1931) y Edward Williams Morley (1838-1923), quienes realizaron experimentos de interferometría para medir con gran precisión la constante de Planck (h) y la velocidad de la luz (c), lo que hizo posible para calcular con mayor precisión la masa en reposo del electrón (mₑ).
(Nₐ) Constante de Avogadro: Nₐ ≈ 6,022 × 10^23 mol^-1.
Esta constante relaciona la cantidad de materia con el número de partículas. Fue propuesto e introducido en 1865 por el científico italiano Amedeo Avogadro (1776-1856).
(σ) Constante de Stefan-Boltzmann: σ ≈ 5,67 × 10^-8 W/m²K^4.
Esta constante describe el flujo de energía irradiada por un cuerpo negro en función de su temperatura. Fue definido en 1879 y 1884 gracias al trabajo conjunto del físico austriaco Josef Stefan (1835-1893) y el físico alemán Ludwig Boltzmann (1844-1906).
(k) Constante de Boltzmann: k ≈ 1,381 × 10^-23 J/K.
Esta constante relaciona la energía térmica con la temperatura. Fue establecido por el físico alemán Ludwig Boltzmann (1844-1906) en el contexto de su trabajo sobre la entropía.
(mₚ) Masa de Planck: mₚ ≈ 2,176 × 10^-8 kg.
Esta constante determina cómo funciona la física a energías y escalas espaciales extremadamente altas y pequeñas. Fue introducido en 1900 por el físico alemán Max Planck (1858-1947) en sus investigaciones sobre la termodinámica de los cuerpos negros.
(Λ) Constante cosmológica: Λ ≈ 2,3 x 10^-18 s^-2.
Esta constante está relacionada con la energía oscura y la acelerada expansión del universo. Fue introducido en 1917 en las ecuaciones de la relatividad general por Albert Einstein (1879-1955).
(mₚ) Masa del protón: mₚ ≈ 1,672 × 10^-27 kg.
Esta constante define la masa de un protón, constituyendo núcleos atómicos. La medición precisa de la masa del protón ha sido posible gracias a experimentos realizados en laboratorios de física de partículas y física nuclear de todo el mundo.
(mₙ) Masa del neutrón: mₙ ≈ 1,675 × 10^-27 kg.
Esta constante define la masa de un neutrón, constituyendo también los núcleos atómicos. Una de las mediciones más precisas e influyentes fue realizada en 1969 por un equipo de físicos dirigido por Richard Edward Taylor (1929-2018) en la Universidad de Toronto.
(αₛ) Constante de acoplamiento fuerte: αₛ ≈ 1.
Es la constante de interacción fuerte la que mantiene juntos a los protones y neutrones (interacción fuerte entre quarks y gluones). Se definió a principios de la década de 1970, cuando varios científicos desarrollaron la cromodinámica cuántica.
(mᵧ) Masa del neutrino: (mᵧ) ≈ 1 eV/c² (muy pequeña).
Esta constante define la masa de los neutrinos en la física de partículas. La búsqueda de la masa del neutrino se llevó a cabo durante varias décadas e implicó varios experimentos en todo el mundo.
(GF) Constante de Fermi: GF ≈ 1,166 × 10^-5 GeV^-2.
Esta constante se utiliza para describir las interacciones débiles entre partículas subatómicas. Fue introducido por el físico italiano Enrico Fermi (1901-1954) durante su teoría de la interacción débil.
(a₀) Radio de Bohr: a₀ ≈ 5,292 × 10^-11 m.
Esta constante define el tamaño promedio de la órbita de un electrón alrededor de un núcleo en hidrógeno. Fue definida en 1913 por el físico danés Niels Bohr (1885-1962) en su modelo atómico.
(u) Constante de masa atómica: u ≈ 1,660 × 10^-27 kg.
Esta constante se utiliza para expresar masas atómicas en unidades de masa atómica (una doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12). Fue definido por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) en 1961.
(λₑ) Longitud de Compton: λₑ ≈ 2,43 × 10^-12 m.
Esta constante (lambda e) describe el efecto de dispersión de partículas debido a fuerzas electromagnéticas. La longitud de Compton es una distancia característica asociada con la desviación de una partícula, como un electrón, por una partícula incidente, como un fotón. Fue definido por el físico estadounidense Arthur Holly Compton (1892-1962) durante sus investigaciones en el campo de la dispersión de rayos X y luz por partículas cargadas.
Las constantes permitieron comprobar si el espectro de absorción de los diferentes elementos es el mismo que hace 10 mil millones de años.
Constantes como la velocidad de la luz en el vacío (c) y la constante de Planck (h) ayudaron a confirmar las predicciones de la relatividad especial de Einstein, incluidos los efectos de la dilatación del tiempo y la contracción del espacio a velocidades cercanas a la de la luz.
La constante gravitacional universal (G) se ha utilizado para verificar las predicciones de Einstein sobre la relatividad general, incluida la observación de la desviación de la luz alrededor de objetos masivos y las propiedades de los agujeros negros.
Constantes como la carga elemental (e), la masa del electrón (mₑ) y la constante de Planck (h) han validado las predicciones de la mecánica cuántica en relación con el comportamiento de las partículas subatómicas.
La constante eléctrica (kₑ) y la constante de estructura fina (α) se han utilizado para verificar las predicciones del electromagnetismo cuántico, incluidos los espectros atómicos y las interacciones de partículas cargadas.
Las constantes de acoplamiento fuerte (αₛ) y débil (G_F) fueron cruciales para confirmar las predicciones de la interacción fuerte (fuerza nuclear) y la interacción débil (responsable de la desintegración beta).
Las constantes de masa de partículas como el electrón, el protón y el neutrón se han utilizado para verificar modelos de física de partículas, incluido el modelo estándar.
En resumen, las constantes físicas han servido como base para validar teorías científicas y construir un marco consistente para explicar y predecir una amplia gama de fenómenos observados en el universo, desde los infinitamente pequeños hasta los infinitamente grandes.
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