votar

En la Física existen una serie de magnitudes que contienen información que es independiente del sistema de medida que elijamos, lo cual es muy valioso no sólo en los cálculos. Además, estos parámetros que fija la naturaleza aparecen en las ecuaciones como parámetros que debemos ajustar lo más que podamos para que nuestras predicciones y nuestros modelos se ajusten a la realidad en la medida de lo posible.

Y aquí es donde viene el problema. Que son parámetros, es decir, su valor cuantitativo no es deducible de la teoría y por tanto hay que medirlo. Y esto añade la dificultad no sólo de idear un experimento, sino de hacerlo lo bastante preciso como para que el modelo sirva para algo.

El Modelo Estándar por ejemplo, que es el paradigma actual en el que se mueve la física de partículas y que recoge las interacciones fundamentales tiene unos 25 parámetros que se deben ajustar. Parámetros tales como la carga eléctrica, la masa, el espín, las constantes de acoplamiento de los campos, que miden la intensidad que éstos tienen, etcétera.

Ya no sólo se trata de averiguar el valor de cada una de ellas. Tampoco sabemos decir de antemano cuantas constantes fundamentales puede haber. Y es evidente que cuantas más constantes hay, más complicado se nos hace nuestro modelo.

La lista completa de constantes y un excelente resumen de esto lo podéis en contrar  en el artículo firmado por John Baez y titulado How Many Fundamental Constants Are There? y que son, a saber:

  • las masas de los seis quarks
  • Los 4 parámetros de la matriz de Kobayashi-Maskawa sobre los cambios de sabor en los quarks (interacción débil)
  • la masa de los leptones (electrón y neutrino electrónico, muón y neutrino muónico, tau yneutrino tauónico)
  • Los 4 parámetros de la matriz de Maki-Nakagawa-Sakata que es análoga a la de Kobayashi-Maskawa y que describe los cambios entre los neutrinos.
  • la masa del bosón de Higgs.
  • el valor esperado del campo de Higgs
  • la constante de acoplamiento de U(1) (véase Modelo Electrodébil)
  • la constante de acoplamiento de SU(2) (véase Modelo Electrodébil)
  • la constante de acoplamiento fuerte
  • la constante cosmológica

Dan un total de 26. 25 de las cuales pertenecen al Modelo Estándar, porque la gravedad no forma parte de él y por tanto la constante cosmológica queda fuera.

Como vemos hay un montón de parámetros en el Modelo Estándar que no son predichos por la teoría, con los inconvenientes que ésto tiene. Por eso los físicos  de partículas están todo el día jugueteando en los aceleradores de partículas, queriendo obtener medidas más precisas para poder explicar mejor los entresijos de las fuerzas de la naturaleza.

Porque cuando las cosas ocurren a una escala tan pequeña tanto de tamaño como de tiempo, las medidas son cada vez más difíciles de realizar. Y encima, la cantidad de experimentos está ampliamente limitada por el tamaño de los aceleradores que podamos construir: entre más grande, mayor es la energía alcanzable. Por eso las esperanzas en el futuro de la física de partículas están en el LHC, que inicialmente esperaba romper la barrera de los 17 TeV, en los límites del Modelo Estándar, donde tal vez se encuentren nuevas respuestas.

Así, aspiramos a tener algún día una descripción completa que nos permita elaborar un paradigma de la física de partículas como existe en otras ramas, y no tenernos que limitar a análisis cualitativos o como mucho, a proponer modelos. Y eso por no hablar de la gravedad, que pese a ser la fuerza que conocemos desde más antiguo, sigue siendo la más desconocida para la física teórica que se ocupa del microcosmos.

Y hablando de constantes, no podemos pasar por alto a las constantes universales de la naturaleza. Esos valores que están ahí y que alguna vez habremos metido en una calculadora y que con la práctica nos hemos aprendido. Son por ejemplo:

  • la impedancia característica del vacío
  • la constante para el campo eléctrico
  • la constante para el campo magnético
  • la constante de gravitación universal
  • la constante de Planck
  • la longitud, tiempo y masa de Planck
  • la velocidad de la luz en el vacío

Son muchas, y de medir sus valores se encargan grupos de científicos como los del National Institute of Standards and Technology que publican sus resultados periódicamente con cada mejora que se va obteniendo y con sus respectivos errores. Salvo aquellas constantes tales que sirven de referencia para los sistemas de medida, como por ejemplo la velocidad de la luz.

La velocidad de la luz en el vacío se define como 299.792.458 m/s exactamente. La  razón de que sea una definición y no un valor con error es porque realmente depende del sistema de unidades empleado, así que en lugar de adaptar la constante a uno en particular, se adapta ese sistema de medidas. Y el elegido es el Sistema Internacional de Unidades en el cual en las definiciones de  metro y el segundo (recordemos que la velocidad se mide en metros/segundo) incluyen implícitamente la velocidad de la luz:

metro: es la longitud de trayecto recorrido en el vacío por la luz durante un tiempo de 1/299 792 458 de segundo.

segundo: el segundo es la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133.

Antiguamente el metro se medía en una barra de platino-iridio con dos marcas, que se guardaba en París. El problema es la dificultad tecnológica de replicar este patrón por lo que se hicieron medidas muy precisas y se midió la longitud como  1.650.763,73 veces la longitud de onda de una línea del espectro de emisión del 86Kr cuya longitud de onda es \lambda = 605.78021 nanómetros.

Por otro lado, el segundo se obtiene midiendo las transiciones entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del 133Cs, ya que debido a la estructura hiperfina existe un desdoblamiento por efecto Stark en el estado fundamental (es decir, los dos estados dejan de tener la misma energía al atacar con un campo eléctrico).

Como vemos, existen numerosas constantes en la naturaleza, que requiere la Física para que las descripciones teóricas se ajusten a la realidad. Paradógicamente, tenemos medidas mucho más precisas en teoría cuántica de campos donde la predicción teórica del llamado factor giromagnético del electrón tiene 11 decimales de precisión, mientras que la constante de gravitación universal apenas tiene 3. Y es que a veces, los experimentos nos impiden conseguir una precisión tan grande como queramos.

Actualización:

Por si no estaba clara la diferencia, en las constantes fundamentales la masa, la carga y los otros parámetros son cocientes, es decir, cocientes entre la masa de los leptones, etcétera, de ese modo no hay dimensiones y las cantidades no dependen del sistema de unidades particular.

Share

Trackbacks/Pingbacks a esta entrada:
    1. [...] El problema de las constantes fundamentales en la naturaleza [...]

    2. Información Bitacoras.com…

      Valora en Bitacoras.com: En la Física existen una serie de magnitudes que contienen información que es independiente del sistema de medida que elijamos, lo cual es muy valioso no sólo en los cálculos. Además, estos parámetros que fija la naturaleza a…..

    3. Toranks dice:

      ¿Qué diferencia hay entre las constantes universales y las fundamentales?

      No me vale que la velocidad de la luz (universal) dependa de las unidades de medida y las otras (fundamentales) no, porque no depende de nada. Y además, la masa de las partículas también se medirá en algún valor (picogramos, por poner), que también son unidades de medida.

    4. MiGUi dice:

      La velocidad de la luz tiene un valor que depende de las unidades de medida, de hecho, en el sistema natural de unidades vale 1. Tienen unidades y por tanto, su valor depende de cómo sea tu sistema de medida.

      Las constantes fundamentales son adimensionales. La masa no es una constante fundamental, porque lo que es una constante fundamental es el cociente de masas. Las cargas como cocientes de cargas. Es lo que se llama “normalizar”.

      De todos modos, en los links referidos está explicado en más detalle.

    5. -- dice:

      El boson de higgs no existe

    6. Pablo Fajardo dice:

      Joer, no he entendido casi nada, pero me parece muy bello por paradójico que tras tanta teoría y tanto cálculo en folio al final haya que recurrir constantes fundamentales “impuestas desde arriba”. Un amigo mío, hablando del tema como el que arregla el mundo me decía que veía a Dios en todo esto. Yo más bien veo que el universo hizo montones de ensayos antes de existir: plantearse si las constantes podrían ser otras es como plantearse si otro espermatozoide pudo fecundar el óvulo de tu madre: ya no serías tú ni nada que se le pareciese.

      Muy bonito el artículo!

    7. majoron dice:

      Muchas gracias por publicar el artículo; la divulgación es algo muy bueno para la Física.
      Además te felicito porque el tema no es sencillo.
      Sin embargo, hay un pequeño detalle impreciso. Algunas de las “constantes” que mencionas no son constantes. Por ejemplo la masa de los quarks, o los acoplamientos (o cargas). Son funciones de la energía a la se miden.

      Saludos.