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Constantes Físicas e Cosmológicas: Números Universais na Origem de Tudo

Por Que a Física Tem Constantes?

A existência de constantes pode ser devida às condições iniciais do universo durante o Big Bang ou a propriedades profundas da realidade fundamental que ainda não compreendemos. De fato, as condições iniciais do universo podem ter fixado os valores das constantes, que influenciaram a evolução e a estrutura do universo como o conhecemos. Alguns teóricos propõem a ideia de um multiverso, onde o nosso universo é apenas uma das muitas realidades possíveis. Nesse contexto, as constantes poderiam variar de um universo para outro, e o nosso universo possui os valores que permitem a emergência da vida e de observadores conscientes.

Quanto ao nosso mundo material, as constantes da física são valores "fixos" que determinam as propriedades fundamentais do universo como um todo, do muito pequeno ao muito grande. Essas constantes são necessárias para descrever e prever o comportamento dos fenômenos físicos, bem como as propriedades da matéria e da energia em diferentes escalas. Elas ajudam a manter a coerência das leis físicas e explicam a diversidade de fenômenos observados em diferentes escalas. São também ferramentas que nos permitem estudar e testar os limites das nossas teorias científicas (Gravitação Newtoniana, Relatividade Restrita, Mecânica Quântica, Eletrodinâmica Quântica, Relatividade Geral, etc.). Para que a física moderna possa se desenvolver, ela precisa de leis universais. Essas leis permitem repetir experimentos aqui e em outros lugares, hoje e amanhã, dentro do quadro do Universo. Portanto, as constantes desempenham um papel central nas teorias físicas. Paradoxalmente, as constantes podem variar em períodos muito longos. No entanto, isso não impede a estruturação dos domínios de validade das diferentes teorias físicas e astrofísicas.

N. B.: As constantes utilizam 3 unidades fundamentais da física, que são o quilograma (símbolo kg), o metro (símbolo m) e o segundo (símbolo s). Embora o valor de uma constante esteja intimamente ligado ao valor arbitrário do metro, quilograma e segundo, definimos relações (relações de massa, relações de força, etc.) para evitar erros de cálculo.

Quais São as Constantes da Física?

1. (G) Constante de Gravitação Universal: G ≈ 6.674 × 10^-11 m^3/kg/s^2.
   Esta constante define a força de gravidade entre duas massas quaisquer. Foi definida pelo físico inglês Isaac Newton (1643-1727) em sua publicação maior "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica," simplesmente chamada de "Principia," publicada em 1687.
2. (e) Carga Elementar: e ≈ 1.602 × 10^-19 C. Esta constante é a menor unidade de carga elétrica carregada por um elétron ou próton. Foi definida entre 1777 e 1785 pelo físico francês Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806) durante experimentos sobre interações elétricas entre cargas.
3. (kₑ) Constante Elétrica: kₑ ≈ 8.988 × 10^9 N·m²/C².
   Esta constante define a força elétrica entre cargas no vácuo. Foi definida em 1785 pelo físico francês Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806).
4. (ε₀) Permitividade do Vácuo: ε₀ ≈ 8.854 × 10^-12 F/m.
   Esta constante descreve a intensidade da interação elétrica entre cargas no vácuo, ou seja, a capacidade do vácuo de permitir a propagação dos campos elétricos. Foi definida pelo físico britânico James Clerk Maxwell (1831-1879).
5. (c) Velocidade da Luz no Vácuo: c ≈ 299 792 458 m/s.
   Esta constante é a velocidade máxima na qual a informação ou a energia podem se propagar no universo. Foi definida com grande precisão entre 1881 e 1887 por Albert Abraham Michelson (1852-1931) em seus experimentos de medição da velocidade da luz usando interferômetros.
6. (h) Constante de Planck: h ≈ 6.626 × 10^-34 J·s.
   Esta constante relaciona a energia de uma partícula à sua frequência. Foi definida em 1900 pelo físico alemão Max Planck (1858-1947) no contexto de seus trabalhos sobre a radiação do corpo negro.
7. (α) Constante de Estrutura Fina: α ≈ 1/137.
   Esta constante caracteriza a força eletromagnética e mede a intensidade das interações eletromagnéticas entre cargas. Foi introduzida pela primeira vez em 1916 pelo físico inglês Arnold Sommerfeld (1868-1951) e calculada com precisão por físicos como Richard Feynman (1918-1988) e outros.
8. (mₑ) Massa de Repouso do Elétron: mₑ ≈ 9.109 × 10^-31 kg.
   Esta constante é a massa intrínseca de um elétron em repouso. Foi introduzida por Albert Abraham Michelson (1852-1931) e Edward Williams Morley (1838-1923), que realizaram experimentos de interferometria para medir com grande precisão a constante de Planck (h) e a velocidade da luz (c), o que permitiu calcular com maior precisão a massa de repouso do elétron (mₑ).
9. (Nₐ) Constante de Avogadro: Nₐ ≈ 6.022 × 10^23 mol^-1.
   Esta constante relaciona a quantidade de substância ao número de partículas. Foi proposta e introduzida em 1865 pelo cientista italiano Amedeo Avogadro (1776-1856).
10. (σ) Constante de Stefan-Boltzmann: σ ≈ 5.67 × 10^-8 W/m²K^4.
    Esta constante descreve o fluxo de energia irradiada por um corpo negro em função de sua temperatura. Foi definida em 1879 e 1884 através dos trabalhos conjuntos do físico austríaco Josef Stefan (1835-1893) e do físico alemão Ludwig Boltzmann (1844-1906).
11. (k) Constante de Boltzmann: k ≈ 1.381 × 10^-23 J/K.
    Esta constante relaciona a energia térmica à temperatura. Foi estabelecida pelo físico alemão Ludwig Boltzmann (1844-1906) no contexto de seu trabalho sobre a entropia.
12. (mₚ) Massa de Planck: mₚ ≈ 2.176 × 10^-8 kg. Esta constante determina como a física funciona em energias e escalas espaciais extremamente altas e pequenas. Foi introduzida em 1900 pelo físico alemão Max Planck (1858-1947) em suas pesquisas sobre a termodinâmica dos corpos negros.
13. (Λ) Constante Cosmológica: Λ ≈ 2.3 x 10^-18 s^-2.
    Esta constante está relacionada à energia escura e à expansão acelerada do universo. Foi introduzida em 1917 nas equações da relatividade geral por Albert Einstein (1879-1955).
14. (mₚ) Massa do Próton: mₚ ≈ 1.672 × 10^-27 kg.
    Esta constante define a massa de um próton, constituinte dos núcleos atômicos. A medição precisa da massa do próton foi possível graças a experimentos realizados em laboratórios de física de partículas e física nuclear ao redor do mundo.
15. (mₙ) Massa do Nêutron: mₙ ≈ 1.675 × 10^-27 kg.
    Esta constante define a massa de um nêutron, também constituinte dos núcleos atômicos. Uma das medições mais precisas e influentes foi realizada em 1969 por uma equipe de físicos liderada por Richard Edward Taylor (1929-2018) na Universidade de Toronto.
16. (αₛ) Constante de Acoplamento Forte: αₛ ≈ 1.
    Esta é a constante de interação forte que mantém os prótons e nêutrons unidos (interação forte entre quarks e glúons). Foi definida no início da década de 1970 quando a cromodinâmica quântica foi desenvolvida por vários cientistas.
17. (mᵧ) Massa do Neutrino: (mᵧ) ≈ 1 eV/c² (muito pequena).
    Esta constante define a massa dos neutrinos na física de partículas. A busca pela massa do neutrino se estendeu por várias décadas e envolveu numerosos experimentos em todo o mundo.
18. (G_F) Constante de Fermi: G_F ≈ 1.166 × 10^-5 GeV^-2.
    Esta constante é usada para descrever as interações fracas entre partículas subatômicas. Foi introduzida pelo físico italiano Enrico Fermi (1901-1954) em sua teoria da interação fraca.
19. (a₀) Raio de Bohr: a₀ ≈ 5.292 × 10^-11 m.
    Esta constante define o tamanho médio da órbita de um elétron ao redor de um núcleo no hidrogênio. Foi definida em 1913 pelo físico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962) em seu modelo atômico.
20. (u) Constante de Massa Atômica: u ≈ 1.660 × 10^-27 kg.
    Esta constante é usada para expressar as massas atômicas em unidades de massa atômica (uma doze avos da massa de um átomo de carbono-12). Foi definida pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) em 1961.
21. (λₑ) Comprimento de Compton: λₑ ≈ 2.43 × 10^-12 m.
    Esta constante (lambda e) descreve o efeito de dispersão das partículas devido às forças eletromagnéticas. O comprimento de Compton é uma distância característica associada à deflexão de uma partícula, como um elétron, por uma partícula incidente, como um fóton. Foi definida pelo físico americano Arthur Holly Compton (1892-1962) em suas pesquisas sobre a dispersão de raios X e luz por partículas carregadas.

O Que as Constantes Permitiram Verificar?

As constantes fundamentais desempenharam um papel crucial na verificação das teorias científicas e dos modelos físicos. Elas confirmaram que o espectro de absorção de diferentes elementos permaneceu inalterado por cerca de 10 bilhões de anos.

• A velocidade da luz no vácuo (c) e a constante de Planck (h) foram essenciais para validar as previsões da teoria da relatividade especial de Einstein, particularmente os efeitos de dilatação do tempo e contração do espaço em velocidades próximas à velocidade da luz.
• A constante de gravitação universal (G) foi usada para testar as previsões da teoria da relatividade geral de Einstein, observando a deflexão da luz ao redor de objetos massivos e as propriedades dos buracos negros.
• Constantes como a carga elementar (e), a massa do elétron (m_e), e a constante de Planck (h) permitiram validar as previsões da mecânica quântica em relação ao comportamento das partículas subatômicas.
• A constante elétrica (k_e) e a constante de estrutura fina (α) foram usadas para verificar as previsões do eletromagnetismo quântico, particularmente os espectros atômicos e as interações entre partículas carregadas.
• As constantes de acoplamento forte (α_s) e fraco (G_F) foram cruciais para confirmar as previsões das interações fortes (força nuclear) e fracas (responsáveis pela desintegração beta).
• As constantes de massa das partículas, como as do elétron, próton e nêutron, permitiram verificar os modelos da física de partículas, especialmente o Modelo Padrão.

Em resumo, as constantes físicas serviram como base para a validação das teorias científicas. Elas permitiram construir um quadro coerente para explicar e prever uma ampla gama de fenômenos observados no universo, do muito pequeno ao muito grande.

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