«Hay dos tipos de constantes: aparentes y reales. Las constantes aparentes resultan simplemente de introducir unidades arbitrarias, pero pueden ser eliminadas. Las constantes reales son auténticos números que Dios debió escoger arbitrariamente cuando se dignó a crear este mundo». Esta cita ha sido extraída de una de las cartas que Albert Einstein envió a su antigua alumna y colega Ilse Rosenthal-Schneider, y refleja muy bien el rol que tienen las constantes universales en las teorías actuales de la física.
En el dominio de la ciencia una constante física es el valor que adquiere una determinada magnitud involucrada en procesos físicos que tiene una característica fundamental: permanece inalterada a lo largo del tiempo. Ese valor se expresa en una unidad concreta prefijada en un sistema de unidades que puede variar con el tiempo y el desarrollo de la ciencia. Actualmente utilizamos el Sistema Internacional de Unidades creado en 1960, pero a lo largo de la historia una misma magnitud física no ha sido descrita siempre empleando las mismas unidades.
Las constantes de las que vamos a hablar en este artículo, las fundamentales, están íntimamente ligadas a fenómenos naturales esenciales. Los científicos han conseguido medirlas con una mayor precisión a medida que la ciencia se ha ido desarrollando, pero, paradójicamente, ninguno de ellos ha podido explicar de dónde procede el valor de una sola constante fundamental. Estas magnitudes ni siquiera pueden calcularse a partir del valor de otras constantes.
El carácter enigmático de las constantes fundamentales tiene su origen en nuestra incapacidad para comprender en toda su extensión los procesos físicos en los que están involucradas. Como he mencionado unas líneas más arriba, los científicos han podido medirlas, y cada vez lo hacen con más precisión, pero nadie sabe de dónde salen. Por qué tienen ese valor y no otro.
Algunas constantes fundamentales con las que todos estamos en cierta medida familiarizados son la velocidad de la luz en el vacío, la carga elemental y las constantes de gravitación y Planck, pero hay otras. Muchas otras. En esta tabla recogemos solamente algunas de ellas:
|
Constante |
símbolo |
valor |
unidad |
|---|---|---|---|
|
gravitación |
G |
6,67384 (80) · 10⁻¹¹ |
m³kg⁻¹s⁻² |
|
velocidad de la luz en el vacío |
c |
299 792 458 |
m s⁻¹ |
|
constante de planck |
h |
6,62606957 (29) · 10⁻³⁴ |
J s |
|
carga elemental |
e |
1,602176565 (35) · 10⁻¹⁹ |
C |
|
constante magnética |
µ₀ |
4π · 10⁻⁷ |
N A⁻² |
|
constante eléctrica |
ε₀ |
1/µ₀c² |
F m⁻¹ |
|
masa del electrón |
mₑ |
9,10938291 (40) · 10⁻³¹ |
kg |
|
masa del protón |
mₚ |
1,672621777 (74) · 10⁻²⁷ |
kg |
|
constante de avogadro |
N(A) |
6,02214129 (27) · 10²³ |
mol⁻¹ |
|
constante de boltzmann |
k |
1,3806488 (13) · 10⁻²³ |
J K⁻¹ |
Eddington, Dirac y la sospecha que se cierne sobre las constantes universales
El astrofísico británico Arthur Stanley Eddington realizó contribuciones muy importantes al desarrollo científico durante la primera mitad del siglo XX. Una de ellas, y probablemente por la que es más conocido por el público no especializado, fue la comprobación experimental de la Teoría General de la Relatividad que Einstein había publicado cuatro años antes gracias a sus observaciones del eclipse solar del 29 de mayo 1919.
Durante su carrera profesional Eddington tocó muchos palos, y uno de ellos está profundamente imbricado con el tema del que estamos hablando. Este científico estaba convencido de que una teoría de la física completa debía ser capaz de explicar el origen de las constantes fundamentales. Consideraba que medirlas, conocer su valor, no era suficiente, y también que las matemáticas nos proporcionaban las herramientas que necesitábamos para comprender su procedencia.
Muchos otros físicos de su época compartían su insatisfacción en lo que se refiere a la curiosidad por desvelar el origen de las constantes fundamentales, pero defendían que para conocerlo era necesario entender mejor los procesos naturales en los que están involucradas. Sin embargo, Eddington decidió utilizar las matemáticas para demostrar por qué las constantes tenían esos valores y no otros.
Al principio sus colegas, entre los que se encontraba el propio Einstein, examinaron sus demostraciones con curiosidad y respeto, pero pronto se dieron cuenta de que Eddington estaba recurriendo a constructos matemáticos rebuscados y a razonamientos muy poco claros. De alguna forma estaba jugando con los números de una manera artificiosa hasta conseguir conjeturar aquello que quería demostrar. Poco a poco el interés de la comunidad científica en esta parte de su trabajo se fue disipando, pero en cierto modo instigó a otros académicos a preguntarse acerca de la auténtica naturaleza de las constantes fundamentales.
En su artículo de 1937 Dirac apuntó la posibilidad de que la constante de la gravitación universal hubiese variado con el paso del tiempo
El matemático e ingeniero británico Paul Dirac fue uno de ellos. Observó que muchas de las constantes fundamentales quedaban descritas por unos números muy grandes entre los que existía una cierta relación. Había algún tipo de coherencia entre ellos, lo que le llevó a conjeturar que debía de darse alguna relación matemática simple que los explicase. Una de las muchas relaciones que exploró le llevó a comparar el tamaño del universo visible, que es asombrosamente grande, y el del electrón, que es sorprendentemente pequeño.
Pero su conclusión más catártica no fue esa. Sus análisis le llevaron a publicar en 1937 un artículo en la ya entonces prestigiosa revista científica Nature en el que apuntaba la posibilidad de que la constante de la gravitación universal hubiese variado con el paso del tiempo. Lo que Dirac sugería es que quizá las constantes universales no han sido las mismas durante los casi 14 000 millones de años que tiene el universo.
Su enfoque proponía contemplar las leyes de la física desde una perspectiva diferente, quizá unificadora. Incluso permitía entrever que la vida solo era posible en un universo en el que las constantes fundamentales habían adquirido el valor que tienen en el nuestro. En un principio Dirac no fue tomado en serio, pero poco a poco algunos de sus colegas observaron que su explicación era tan elegante que debía ser considerada. Y más de ocho décadas después su trabajo en esta área continúa ejerciendo como una fuente de inspiración para cientos de científicos de todo el planeta.
Imagen de portada | Arek Socha en Pixabay
Bibliografía | 'The Feynman Lectures on Physics', Richard Feynman, Matthew Sands y Robert Leighton | 'Las constantes universales', Jesús Navarro | 'Fundamental Constants in Mathematics & Physics: Are they universal codes?', Shahin A. Shayan
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50 comentarios
Tron
Terricolas, las constantes universales estan un archivo 'properties' externo, de forma que no hace falta compilar el universo cada vez que las cambias.
Si pones otras pues te sale Mordor, el pais de los teletubies, el universo marvel, etc.
Graco
En realidad lo que a mí me sorprende es lo lenta que es la velocidad de la luz.
El hecho de que tarde más de 8 minutos en llegar a la tierra o que nuestra estrella más cercana esté a 4 años luz, hace imposible viajar a otros sistemas estelares al hacerse la masa infinita conforme te acercas a su velocidad.
krampmannn
Algunas de las constantes que figuran en la tabla no son correctas. Desde 2019, constantes como la de Planck o la de Avogadro no tienen incertidumbre (valor que aparece entre paréntesis en la tabla errónea). Esto se fijó así en la 26 Conferencia General de Pesas y Medidas en 2018, y es la base de la redefinición de algunas de las unidades del Sistema Internacional. https://www.bipm.org/en/committees/cg/cgpm/26-2018/resolution-1
controlando
Reconozco que esta física profunda se me escapa. Soy de mixtas (licenciado en empresariales, lo cual no dá mucho margen para la física desarrollada). Pero aún así, no para de sorprenderme la capacidad de algunos teóricos y matemáticos físicos para desarrollar postulados solo a partir de su imaginación (Einsteín incluido),...porqué mo se puede decir que para desarrollar esos postulados se hayan basado en experiencias empíricas de primera mano, precisamente.
Que esas teorías a la hora de verificarlas suelen salir por peteneras, pues suele ser lo normal. Hay miles de teorias de todo tipo que, muy circustancialmente, alguna que otra se ve verificada por los hechos. Pero esas son las menos, aunque son las que más ruido meten. Los fracasos no se publicitan.
perdidos
También habría que preguntarse que pasa con las constantes matemáticas, con el número pi a la cabeza de todas ellas porque sale donde menos te la esperas.
¿Son fijas en la naturaleza o cambian con el tiempo? ¿Hubo o habrá un tiempo en el que Pi valga 3,14 exactamente?
pianjy
Hasta donde yo sé, la velocidad de la luz no es una constante universal demostrada, sino una convención aceptada desde 1905 y propuesta por Einstein. Einstein define la velocidad de la luz como el tiempo que tarda en ir desde el punto A al B y regresar al A, asumiendo que tiene la misma velocidad al ir que al volver, pero aunque se halla calculado nunca a podido ser medida.
Si calculamos que el tiempo recorrido de A a B es 10seg, puede que hasta A tarde 8seg y de B a A tarde 2seg, y pensaríamos que tardo 5seg por trayecto, ya que nuestra percepción será la misma. El cálculo de "c" se cumple igualmente pero no demuestra que tiene la misma velocidad en las 2 direcciones
agnusdenisepaula
Todo es un misterio. ¿Tenemos alguna certeza?
mantuano
El primer mesón que se descubrió tenía una masa de 3/2 de 137. Puede que no sea casualidad, si hay 3 quarks en un barión, y si la carga de los quarks es fraccionaria, de algún modo hay relación.
@lex
Desconozco cuanto estudiado está el tema, pero me parece un buen punto de partida para intentar esclarecer un poco todo el tema de la materia/energía oscura. Es algo que me deja un poco inquieto porque es un apaño matemático para que cuadre lo observado con la matemática. No sería descabellado pensar que a escalas estelares o galácticas las constantes no son tan constantes como nos parecen a la escala que podemos medir y esto de tener que sumar masa para que cuadren los números quizá no es necesario porque toda la masa ya está realmente allí (o no hace falta que esté para que se observe lo que se observa).
Por ejemplo, la constante de gravitación universal podría tener un valor distinto con masas estelares mayores a nuestro sol y ser complicado de demostrar. Para medir la masa solar, tenemos varias formas y con todas ellas llegamos a la misma conclusión con un error o desviación típica muy baja. Se puede medir por distancia, período de translación, color/temperatura, gravedad, energía radiada, períodos de translación de varios planetas,...
A la que subimos de escala, ya se nos complica la opción para medir con tanta precisión y los métodos son más limitados y dependen de paralaje, color, y otros sistemas indirectos que dependen de valores ya calculados o asumidos. Un cambio en una constante o un parámetro multiplicador que no hayamos detectado en la fórmula porque tiene a 1 en las escalas que podemos medir podría tener implicaciones drásticas. Seguramente violaría varias leyes de conservación de masa, energía y entropía o se deberían replantear.
De la misma forma que ocurren cosas 'curiosas' a la escala de Plank, quizá a escalas estelares y galácticas también ocurren cosas que requieren de un conjunto de leyes distintas o modificaciones de las actuales que hacen que el error inducido en las escalas que podamos medir sea negligible pero que tenga un impacto notable a la que lo escalas.
Es mi granito de arena y paja mental del fin de semana.
Saludos
eduardogoffard
Muy interesante. Probablemente estas variaciones tengan que ver sobre conceptos para cuya detección no tenemos sensores. Verbigracia: siempre he postulado que nuestras pretensiones de medir el tiempo son vanas. Siempre lo hemos medido basados en el giro de un cuerpo sobre otro, como es el caso del Sol o de los relojes electrónicos. Pero todo eso puede variar si cambiamos el concepto del espacio vacío que permite la transmisión de ondas electromagnéticas, como las gravitacionales o las de la luz, y el espacio vacío-vacío que no transmite nada, que probablemente esta más allá de nuestro Universo y que no podemos imaginar. Felicitaciones por no echarle la culpa a los rusos.