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Última actualización 25 de agosto de 2023

Constantes Físicas y Cosmológicas: Números Universales en el Origen de Todo

Constantes Físicas y Cosmológicas

¿Por Qué la Física Tiene Constantes?

La existencia de constantes 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 haber fijado los valores de las constantes, que luego influyeron en la evolución y estructura del universo tal como lo conocemos. Algunos teóricos proponen la idea de un multiverso, donde nuestro universo es solo una de muchas realidades posibles. En este contexto, las constantes podrían variar de un universo a otro, y nuestro universo posee los valores que permiten la emergencia de la vida y observadores conscientes.

En cuanto a nuestro mundo material, las constantes de la física son valores "fijos" que determinan las propiedades fundamentales del universo en su totalidad, desde lo muy pequeño hasta lo muy 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. Ayudan a mantener la coherencia de las leyes físicas y explican 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 Restringida, Mecánica Cuántica, Electrodinámica Cuántica, Relatividad General, etc.). Para que la física moderna pueda desarrollarse, necesita leyes universales. Estas leyes permiten repetir experimentos aquí y en otros lugares, hoy y mañana, dentro del marco del Universo. Por lo tanto, las constantes juegan un papel central en las teorías físicas. Paradójicamente, las constantes pueden variar en períodos muy largos. Sin embargo, esto no impide estructurar los dominios de validez de 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). Aunque el valor de una constante está íntimamente ligado al valor arbitrario del metro, el kilogramo y el segundo, definimos relaciones (relaciones de masa, relaciones de fuerza, etc.) para evitar errores de cálculo.

¿Cuáles Son las Constantes de la Física?

  1. (G) Constante de Gravitación Universal: G ≈ 6.674 × 10^-11 m^3/kg/s^2.
    Esta constante define la fuerza de gravedad entre dos masas cualesquiera. Fue definida por el físico inglés Isaac Newton (1643-1727) en su publicación mayor "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica," simplemente llamada "Principia," publicada en 1687.
  2. (e) Carga Elemental: e ≈ 1.602 × 10^-19 C. Esta constante es la unidad más pequeña de carga eléctrica llevada por un electrón o un protón. Fue definida entre 1777 y 1785 por el físico francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806) durante experimentos sobre interacciones eléctricas entre cargas.
  3. (kₑ) Constante Eléctrica: kₑ ≈ 8.988 × 10^9 N·m²/C².
    Esta constante define la fuerza eléctrica entre cargas en el vacío. Fue definida en 1785 por el físico francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806).
  4. (ε₀) Permitividad del Vacío: ε₀ ≈ 8.854 × 10^-12 F/m.
    Esta constante describe la intensidad de la interacción eléctrica entre cargas en un vacío, es decir, la capacidad del vacío para permitir la propagación de los campos eléctricos. Fue definida por el físico británico James Clerk Maxwell (1831-1879).
  5. (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 pueden propagarse en el universo. Fue definida con gran precisión entre 1881 y 1887 por Albert Abraham Michelson (1852-1931) en sus experimentos de medición de la velocidad de la luz utilizando interferómetros.
  6. (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) en el contexto de sus trabajos sobre la radiación del cuerpo negro.
  7. (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 introducida por primera vez en 1916 por el físico inglés Arnold Sommerfeld (1868-1951) y calculada con precisión por físicos como Richard Feynman (1918-1988) y otros.
  8. (mₑ) Masa en Reposo del Electrón: mₑ ≈ 9.109 × 10^-31 kg.
    Esta constante es la masa intrínseca de un electrón en reposo. Fue introducida 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 permitió calcular con mayor precisión la masa en reposo del electrón (mₑ).
  9. (Nₐ) Constante de Avogadro: Nₐ ≈ 6.022 × 10^23 mol^-1.
    Esta constante relaciona la cantidad de sustancia con el número de partículas. Fue propuesta e introducida en 1865 por el científico italiano Amedeo Avogadro (1776-1856).
  10. (σ) Constante de Stefan-Boltzmann: σ ≈ 5.67 × 10^-8 W/m²K^4.
    Esta constante describe el flujo de energía radiada por un cuerpo negro en función de su temperatura. Fue definida en 1879 y 1884 gracias a los trabajos conjuntos del físico austríaco Josef Stefan (1835-1893) y el físico alemán Ludwig Boltzmann (1844-1906).
  11. (k) Constante de Boltzmann: k ≈ 1.381 × 10^-23 J/K.
    Esta constante relaciona la energía térmica con la temperatura. Fue establecida por el físico alemán Ludwig Boltzmann (1844-1906) en el contexto de su trabajo sobre la entropía.
  12. (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 introducida en 1900 por el físico alemán Max Planck (1858-1947) en sus investigaciones sobre la termodinámica de los cuerpos negros.
  13. (Λ) Constante Cosmológica: Λ ≈ 2.3 x 10^-18 s^-2.
    Esta constante está relacionada con la energía oscura y la expansión acelerada del universo. Fue introducida en 1917 en las ecuaciones de la relatividad general por Albert Einstein (1879-1955).
  14. (mₚ) Masa del Protón: mₚ ≈ 1.672 × 10^-27 kg.
    Esta constante define la masa de un protón, constituyente de los núcleos atómicos. La medición precisa de la masa del protón fue posible gracias a experimentos realizados en laboratorios de física de partículas y física nuclear en todo el mundo.
  15. (mₙ) Masa del Neutrón: mₙ ≈ 1.675 × 10^-27 kg.
    Esta constante define la masa de un neutrón, también constituyente de 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.
  16. (αₛ) Constante de Acoplamiento Fuerte: αₛ ≈ 1.
    Esta es la constante de interacción fuerte que mantiene unidos a los protones y neutrones (interacción fuerte entre quarks y gluones). Fue definida a principios de la década de 1970 cuando se desarrolló la cromodinámica cuántica por varios científicos.
  17. (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 ha desarrollado a lo largo de varias décadas e implicó numerosos experimentos en todo el mundo.
  18. (GF) Constante de Fermi: GF ≈ 1.166 × 10^-5 GeV^-2.
    Esta constante se utiliza para describir las interacciones débiles entre partículas subatómicas. Fue introducida por el físico italiano Enrico Fermi (1901-1954) en su teoría de la interacción débil.
  19. (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 el hidrógeno. Fue definida en 1913 por el físico danés Niels Bohr (1885-1962) en su modelo atómico.
  20. (u) Constante de Masa Atómica: u ≈ 1.660 × 10^-27 kg.
    Esta constante se utiliza para expresar las masas atómicas en unidades de masa atómica (una doceava parte de la masa de un átomo de carbono-12). Fue definida por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) en 1961.
  21. (λₑ) Longitud de Compton: λₑ ≈ 2.43 × 10^-12 m.
    Esta constante (lambda e) describe el efecto de dispersión de las partículas debido a las 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 definida por el físico estadounidense Arthur Holly Compton (1892-1962) en sus investigaciones sobre la dispersión de rayos X y luz por partículas cargadas.

¿Qué Han Permitido Verificar las Constantes?

Las constantes fundamentales han jugado un papel crucial en la verificación de las teorías científicas y los modelos físicos. Han confirmado que el espectro de absorción de diferentes elementos ha permanecido sin cambios durante aproximadamente 10 mil millones de años.

En resumen, las constantes físicas han servido como base para la validación de las teorías científicas. Han permitido construir un marco coherente para explicar y predecir una amplia gama de fenómenos observados en el universo, desde lo muy pequeño hasta lo muy grande.

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