Imagem: Linhas de absorção de elementos químicos.
Quando um elemento químico é atravessado pela luz branca, o espectro colorido que chega até nós é pontilhado de linhas pretas.
Estas linhas são a assinatura dos elementos químicos atravessados pela luz.
Graças a estas linhas podemos conhecer a composição química da atmosfera de uma estrela.
Para o mesmo elemento, as linhas de absorção correspondem às linhas de emissão (ver os 2 espectros na parte inferior da imagem). Um elemento químico absorve a radiação que é capaz de emitir. As linhas de absorção e emissão têm o mesmo comprimento de onda. Em outras palavras, as linhas pretas do espectro de absorção do lítio correspondem às linhas coloridas do seu espectro de emissão.
A questão de por que o universo tem constantes físicas é uma questão profunda e complexa que ainda desperta muita reflexão entre cientistas e filósofos.
A sua existência pode dever-se às condições iniciais do universo durante o Big Bang ou a propriedades profundas da realidade fundamental que ainda não compreendemos.
Na verdade, as condições iniciais do universo poderiam fixar os valores das constantes que influenciaram a evolução e a estrutura do universo tal como o conhecemos.
Alguns teóricos evocam a ideia de um multiverso, onde o nosso universo seria apenas uma entre muitas realidades possíveis. Nesse contexto, as constantes poderiam variar de um universo para outro, e nosso universo possuiria os valores que permitem o surgimento de vida e de observadores conscientes.
No que diz respeito ao nosso mundo material, as constantes da física são valores “fixos” que determinam as propriedades fundamentais do universo como um todo, do infinitamente pequeno ao infinitamente 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.
Estas constantes permitem manter a consistência das leis físicas e dar conta da diversidade dos fenómenos observados em diferentes escalas. São também ferramentas que nos permitem estudar e testar os limites das nossas teorias científicas (Gravitação Newtoniana, Relatividade Especial, Mecânica Quântica, Eletrodinâmica Quântica, Relatividade Geral, etc.).
Para que a física moderna se desenvolva, são necessárias leis universais. Estas leis permitem repetir experiências, aqui e noutros lugares, hoje e amanhã, num quadro que é o Universo.
As constantes, portanto, desempenham um papel central nas teorias físicas.
Paradoxalmente, as constantes podem variar durante longos períodos de tempo. Mas isto 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, do quilograma e do segundo, preferimos definir relações (razões de massa, relações de força, etc.) para evitar erros de cálculo.
(G) Constante gravitacional universal: G = ≈ 6,674 × 10^-11 m^3/kg/s^2.
Esta constante define a força gravitacional entre quaisquer duas massas. Foi definido pelo físico inglês Isaac Newton (1643-1727) em sua principal publicação "Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica" simplesmente chamada de "Principia", publicada em 1687.
(e) Carga elementar: e ≈ 1,602 × 10^-19 C.
Esta constante é a menor unidade de carga elétrica transportada por um elétron ou próton. Foi definido entre 1777 e 1785 pelo físico francês Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806) durante experimentos sobre interações elétricas entre cargas elétricas.
(kₑ) Constante elétrica: kₑ ≈ 8,988 × 10^9 N m²/C².
Esta constante define a força elétrica entre cargas no vácuo. Foi definido em 1785 pelo físico francês Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806).
(ε₀) Constante de permissividade de 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 de campos elétricos. Foi definido pelo físico britânico James Clerk Maxwell (1831-1879).
(c) Velocidade da luz no vácuo: c ≈ 299.792.458 m/s.
Esta constante é a velocidade máxima com que a informação ou energia pode viajar pelo universo. Foi definida entre 1881 e 1887 com grande precisão por Albert Abraham Michelson (1852-1931) em seus experimentos de medição da velocidade da luz por meio de interferômetros.
(h) Constante de Planck: h ≈ 6,626 × 10^-34 J s.
Esta constante relaciona a energia de uma partícula à sua frequência. Foi definido em 1900 pelo físico alemão Max Planck (1858-1947) como parte de seu trabalho sobre a radiação do corpo negro.
(α) Constante de estrutura fina: α ≈ 1/137.
Esta constante caracteriza a força eletromagnética e mede a intensidade das interações eletromagnéticas entre as cargas. Foi introduzido pela primeira vez em 1916 pelo físico inglês Arnold Sommerfeld (1868-1951) e calculado com precisão por físicos como Richard Feynman (1918-1988) e outros.
(mₑ) Massa de repouso do elétron: mₑ ≈ 9,109 × 10^-31 kg.
Esta constante é a massa intrínseca do elétron em repouso. Foi introduzido por Albert Abraham Michelson (1852-1931) e Edward Williams Morley (1838-1923), que realizaram experimentos de interferometria para medir a constante de Planck (h) e a velocidade da luz com grande precisão. (c), o que tornou possível para calcular com mais precisão a massa restante do elétron (mₑ).
(Nₐ) Constante de Avogadro: Nₐ ≈ 6,022 × 10^23 mol^-1.
Esta constante relaciona a quantidade de matéria com o número de partículas. Foi proposto e introduzido em 1865 pelo cientista italiano Amedeo Avogadro (1776-1856).
(σ) Constante de Stefan-Boltzmann: σ ≈ 5,67 × 10^-8 W/m²K^4.
Esta constante descreve o fluxo de energia irradiado por um corpo negro em função da sua temperatura. Foi definido em 1879 e 1884 graças ao trabalho conjunto do físico austríaco Josef Stefan (1835-1893) e do físico alemão Ludwig Boltzmann (1844-1906).
(k) Constante de Boltzmann: k ≈ 1,381 × 10^-23 J/K.
Esta constante relaciona a energia térmica com a temperatura. Foi estabelecido pelo físico alemão Ludwig Boltzmann (1844-1906) no contexto do seu trabalho sobre entropia.
(mₚ) Massa de Planck: mₚ ≈ 2,176 × 10^-8 kg.
Essa constante determina como a física funciona em energias e escalas espaciais extremamente altas e pequenas. Foi introduzido em 1900 pelo físico alemão Max Planck (1858-1947) em suas pesquisas sobre a termodinâmica dos corpos negros.
(Λ) Constante cosmológica: Λ ≈ 2,3 x 10^-18 s^-2.
Essa constante está relacionada à energia escura e à expansão acelerada do universo. Foi introduzido em 1917 nas equações da relatividade geral por Albert Einstein (1879-1955).
(mₚ) Massa do próton: mₚ ≈ 1,672 × 10^-27 kg.
Esta constante define a massa de um próton, constituindo os núcleos atômicos. A medição precisa da massa do próton foi possível graças a experimentos realizados em laboratórios de física de partículas e de física nuclear em todo o mundo.
(mₙ) Massa do nêutron: mₙ ≈ 1,675 × 10^-27 kg.
Esta constante define a massa de um nêutron, constituindo também núcleos atômicos. Uma das medições mais precisas e influentes foi feita em 1969 por uma equipe de físicos liderada por Richard Edward Taylor (1929-2018) da Universidade de Toronto.
(αₛ) Constante de acoplamento forte: αₛ ≈ 1.
É a forte constante de interação que mantém prótons e nêutrons juntos (forte interação entre quarks e glúons). Foi definido no início da década de 1970, quando a cromodinâmica quântica foi desenvolvida por vários cientistas.
(mᵧ) Massa do neutrino: (mᵧ) ≈ 1 eV/c² (muito pequeno).
Esta constante define a massa dos neutrinos na física de partículas. A busca pela massa do neutrino ocorreu ao longo de várias décadas e envolveu diversos experimentos ao redor do mundo.
(GF) Constante de Fermi: GF ≈ 1,166 × 10^-5 GeV^-2.
Esta constante é usada para descrever as interações fracas entre partículas subatômicas. Foi introduzido pelo físico italiano Enrico Fermi (1901-1954) durante sua teoria da interação fraca.
(a₀) Raio de Bohr: a₀ ≈ 5,292 × 10^-11 m.
Esta constante define o tamanho médio da órbita de um elétron em torno de um núcleo no hidrogênio. Foi definido em 1913 pelo físico dinamarquês Niels Bohr (1885-1962) em seu modelo atômico.
(u) Constante de massa atômica: u ≈ 1,660 × 10^-27 kg.
Esta constante é usada para expressar massas atômicas em unidades de massa atômica (um duodécimo da massa de um átomo de carbono-12). Foi definido pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) em 1961.
(λₑ) Comprimento Compton: λₑ ≈ 2,43 × 10^-12 m.
Esta constante (lambda e) descreve o efeito de dispersão de partículas devido a forças eletromagnéticas. O comprimento Compton é uma distância característica associada à deflexão de uma partícula, como um elétron, por uma partícula incidente, como um fóton. Foi definido pelo físico americano Arthur Holly Compton (1892-1962) durante pesquisas na área de espalhamento de raios X e luz por partículas carregadas.
As constantes permitiram verificar se o espectro de absorção dos diferentes elementos é o mesmo de há 10 mil milhões de anos.
Constantes como a velocidade da luz no vácuo (c) e a constante de Planck (h) ajudaram a confirmar as previsões da relatividade especial de Einstein, incluindo os efeitos da dilatação do tempo e da contração do espaço a velocidades próximas da da luz.
A constante gravitacional universal (G) tem sido usada para verificar as previsões de Einstein sobre a relatividade geral, incluindo a observação do desvio da luz em torno de objetos massivos e as propriedades dos buracos negros.
Constantes como a carga elementar (e), a massa do elétron (mₑ) e a constante de Planck (h) validaram as previsões da mecânica quântica em relação ao comportamento das partículas subatômicas.
A constante elétrica (kₑ) e a constante de estrutura fina (α) foram usadas para verificar as previsões do eletromagnetismo quântico, incluindo espectros atômicos e interações de partículas carregadas.
As constantes de acoplamento forte (αₛ) e fraca (G_F) foram cruciais para confirmar as previsões da interação forte (força nuclear) e da interação fraca (responsável pelo decaimento beta).
Constantes de massa de partículas como elétron, próton e nêutron têm sido usadas para verificar modelos de física de partículas, incluindo o Modelo Padrão.
Em resumo, as constantes físicas serviram de base para a validação de teorias científicas e para a construção de uma estrutura consistente para explicar e prever uma ampla gama de fenômenos observados no universo, desde o infinitamente pequeno até o infinitamente grande.
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