Constante física -Physical constant

Uma constante física , às vezes constante física fundamental ou constante universal , é uma quantidade física que geralmente se acredita ser de natureza universal e ter valor constante no tempo. É contrastado com uma constante matemática , que tem um valor numérico fixo, mas não envolve diretamente nenhuma medição física.

Existem muitas constantes físicas na ciência, algumas das mais amplamente reconhecidas são a velocidade da luz no vácuo c , a constante gravitacional G , a constante de Planck h , a constante elétrica ε ₀ e a carga elementar e . As constantes físicas podem assumir muitas formas dimensionais : a velocidade da luz significa uma velocidade máxima para qualquer objeto e sua dimensão é o comprimento dividido pelo tempo ; enquanto a constante de estrutura fina α, que caracteriza a força da interação eletromagnética , é adimensional .

O termo constante física fundamental às vezes é usado para se referir a constantes físicas universais, mas dimensionadas, como as mencionadas acima. Cada vez mais, no entanto, os físicos usam apenas a constante física fundamental para constantes físicas adimensionais , como a constante de estrutura fina α .

A constante física, como discutido aqui, não deve ser confundida com outras quantidades chamadas "constantes", que são assumidas como constantes em um determinado contexto sem serem fundamentais, como a " constante de tempo " característica de um determinado sistema, ou constantes materiais ( por exemplo, constante de Madelung , resistividade elétrica e capacidade de calor ).

Desde maio de 2019, todas as unidades básicas do SI foram definidas em termos de constantes físicas. Como resultado, cinco constantes: a velocidade da luz no vácuo, c ; a constante de Planck , h ; a carga elementar , e ; a constante _deAvogadro , NA ; e a constante de Boltzmann , k _B , têm valores numéricos exatos conhecidos quando expressos em unidades do SI. As três primeiras dessas constantes são constantes fundamentais, enquanto NA e k _{B são apenas de natureza técnica: elas não descrevem nenhuma propriedade}_do universo, mas apenas fornecem um fator de proporcionalidade para definir as unidades usadas com grandes números de átomos atômicos. entidades de escala.

Escolha de unidades

Enquanto a quantidade física indicada por uma constante física não depende do sistema de unidades usado para expressar a quantidade, os valores numéricos das constantes físicas dimensionais dependem da escolha do sistema de unidades. O termo "constante física" refere-se à quantidade física, e não ao valor numérico dentro de qualquer sistema de unidades. Por exemplo, a velocidade da luz é definida como tendo o valor numérico de299 792 458 quando expresso na unidade SI metros por segundo, e como tendo o valor numérico de 1 quando expresso nas unidades naturais Comprimento de Planck por tempo de Planck. Embora seu valor numérico possa ser definido à vontade pela escolha de unidades, a velocidade da luz em si é uma única constante física.

Qualquer razão entre constantes físicas das mesmas dimensões resulta em uma constante física adimensional , por exemplo, a razão de massa próton-elétron . Qualquer relação entre quantidades físicas pode ser expressa como uma relação entre razões adimensionais através de um processo conhecido como não dimensionalização .

O termo "constante física fundamental" é reservado para quantidades físicas que, de acordo com o estado atual do conhecimento, são consideradas imutáveis e não deriváveis de princípios mais fundamentais. Exemplos notáveis são a velocidade da luz c e a constante gravitacional G.

A constante de estrutura fina α é a constante física fundamental adimensional mais conhecida. É o valor da carga elementar ao quadrado expresso em unidades de Planck . Este valor tornou-se um exemplo padrão ao discutir a derivabilidade ou não derivabilidade de constantes físicas. Introduzido por Arnold Sommerfeld , seu valor determinado na época era consistente com 1/137. Isso motivou Arthur Eddington (1929) a construir um argumento por que seu valor pode ser 1/137 precisamente, relacionado ao número de Eddington , sua estimativa do número de prótons no Universo. Na década de 1940, ficou claro que o valor da constante de estrutura fina se desvia significativamente do valor preciso de 1/137, refutando o argumento de Eddington. Uma derivação teórica da constante de estrutura fina, baseada na unificação em uma teoria pré-espaço-tempo, pré-quântica em oito dimensões octoniônicas, foi recentemente dada por Singh.

Com o desenvolvimento da química quântica no século 20, no entanto, um grande número de constantes físicas adimensionais anteriormente inexplicáveis foram computadas com sucesso a partir da teoria. À luz disso, alguns físicos teóricos ainda esperam um progresso contínuo na explicação dos valores de outras constantes físicas adimensionais.

Sabe-se que o Universo seria muito diferente se essas constantes assumissem valores significativamente diferentes daqueles que observamos. Por exemplo, uma pequena mudança percentual no valor da constante de estrutura fina seria suficiente para eliminar estrelas como o nosso Sol. Isso levou a tentativas de explicações antrópicas dos valores de algumas das constantes físicas fundamentais adimensionais.

Unidades naturais

É possível combinar constantes físicas universais dimensionais para definir quantidades fixas de qualquer dimensão desejada, e esta propriedade tem sido usada para construir vários sistemas de unidades naturais de medida. Dependendo da escolha e disposição das constantes utilizadas, as unidades naturais resultantes podem ser convenientes para uma área de estudo. Por exemplo, as unidades de Planck , construídas a partir de c , G , ħ e k _B fornecem unidades de medida de tamanho conveniente para uso em estudos de gravidade quântica , e as unidades atômicas de Hartree , construídas a partir de ħ , m _e , e e 4πε ₀ fornecem unidades convenientes em física atômica . A escolha das constantes usadas leva a quantidades muito variadas.

Número de constantes fundamentais

O número de constantes físicas fundamentais depende da teoria física aceita como "fundamental". Atualmente, esta é a teoria da relatividade geral para a gravitação e o Modelo Padrão para interações eletromagnéticas, nucleares fracas e fortes e os campos de matéria. Entre elas, essas teorias respondem por um total de 19 constantes fundamentais independentes. Não existe, no entanto, uma única maneira "correta" de enumerá-los, pois é uma questão de escolha arbitrária quais quantidades são consideradas "fundamentais" e quais são "derivadas". Uzan (2011) lista 22 “constantes desconhecidas” nas teorias fundamentais, que dão origem a 19 “parâmetros adimensionais desconhecidos”, como segue:

a constante gravitacional G ,
a velocidade da luz c ,
a constante de Planck h ,
os 9 acoplamentos Yukawa para os quarks e léptons (equivalente a especificar a massa de repouso dessas partículas elementares ),
2 parâmetros do potencial de campo de Higgs ,
4 parâmetros para a matriz de mistura de quarks ,
3 constantes de acoplamento para os grupos de calibre SU(3) × SU(2) × U(1) (ou equivalentemente, duas constantes de acoplamento e o ângulo de Weinberg ),
uma fase para o vácuo QCD .

O número de 19 constantes físicas fundamentais independentes está sujeito a alterações sob possíveis extensões do Modelo Padrão , notadamente pela introdução da massa de neutrinos (equivalente a sete constantes adicionais, ou seja, 3 acoplamentos Yukawa e 4 parâmetros de mistura de léptons ).

A descoberta da variabilidade em qualquer uma dessas constantes seria equivalente à descoberta da “ nova física ”.

A questão sobre quais constantes são "fundamentais" não é direta nem sem sentido, mas uma questão de interpretação da teoria física considerada fundamental; como apontado por Lévy-Leblond 1977 , nem todas as constantes físicas têm a mesma importância, com algumas tendo um papel mais profundo do que outras. Lévy-Leblond 1977 propôs um esquema de classificação de três tipos de constantes:

A: propriedades físicas de objetos particulares
B: característica de uma classe de fenômenos físicos
C: constantes universais

A mesma constante física pode passar de uma categoria para outra à medida que a compreensão de seu papel se aprofunda; isso aconteceu notavelmente com a velocidade da luz , que era uma constante de classe A (característica da luz ) quando foi medida pela primeira vez, mas tornou-se uma constante de classe B (característica de fenômenos eletromagnéticos ) com o desenvolvimento do eletromagnetismo clássico e, finalmente, uma classe C constante com a descoberta da relatividade especial .

Testes de independência de tempo

Por definição, as constantes físicas fundamentais estão sujeitas a medição , de modo que sua constante (independente do tempo e da posição da realização da medição) é necessariamente um resultado experimental e sujeito a verificação.

Paul Dirac em 1937 especulou que constantes físicas, como a constante gravitacional ou a constante de estrutura fina, podem estar sujeitas a mudanças ao longo do tempo em proporção à idade do universo . Os experimentos podem, em princípio, apenas colocar um limite superior na variação relativa por ano. Para a constante de estrutura fina, esse limite superior é comparativamente baixo, em aproximadamente ^10-17 por ano (a partir de 2008).

A constante gravitacional é muito mais difícil de medir com precisão, e medições conflitantes nos anos 2000 inspiraram as controversas sugestões de uma variação periódica de seu valor em um artigo de 2015. No entanto, embora seu valor não seja conhecido com grande precisão, a possibilidade de observar supernovas do tipo Ia que ocorreram no passado remoto do universo, combinada com a suposição de que a física envolvida nesses eventos é universal, permite um limite superior de menos de 10 ^-10 por ano para a constante gravitacional nos últimos nove bilhões de anos.

Da mesma forma, um limite superior da mudança na razão de massa próton-elétron foi colocado em ^10-7 durante um período de 7 bilhões de anos (ou ^10-16 por ano) em um estudo de 2012 baseado na observação de metanol em uma galáxia distante.

É problemático discutir a taxa de mudança proposta (ou a falta dela) de uma constante física unidimensional isoladamente. A razão para isso é que a escolha das unidades é arbitrária, fazendo com que a questão de saber se uma constante está mudando um artefato da escolha (e definição) das unidades.

Por exemplo, em unidades do SI , a velocidade da luz recebeu um valor definido em 1983. Assim, era significativo medir experimentalmente a velocidade da luz em unidades do SI antes de 1983, mas não é assim agora. Da mesma forma, a partir de maio de 2019, a constante de Planck tem um valor definido, de modo que todas as unidades básicas do SI agora são definidas em termos de constantes físicas fundamentais. Com essa mudança, o protótipo internacional do quilograma está sendo aposentado como o último objeto físico usado na definição de qualquer unidade do SI.

Testes sobre a imutabilidade de constantes físicas analisam quantidades adimensionais , ou seja, razões entre quantidades de dimensões semelhantes, a fim de escapar desse problema. Mudanças nas constantes físicas não são significativas se resultarem em um universo observacionalmente indistinguível . Por exemplo, uma "mudança" na velocidade da luz c não teria sentido se acompanhada por uma mudança correspondente na carga elementar e de modo que a razão $e 2 /(4π ε 0 ħc)$ (a constante de estrutura fina) permanecesse inalterada.

Universo ajustado

Alguns físicos exploraram a noção de que se as constantes físicas adimensionais tivessem valores suficientemente diferentes, nosso Universo seria tão radicalmente diferente que a vida inteligente provavelmente não teria surgido e que nosso Universo, portanto, parece estar ajustado para a vida inteligente. No entanto, o espaço de fase das constantes possíveis e seus valores são desconhecidos, portanto, quaisquer conclusões tiradas de tais argumentos não são suportadas. O princípio antrópico afirma um truísmo lógico : o fato de nossa existência como seres inteligentes que podem medir constantes físicas exige que essas constantes sejam tais que seres como nós possam existir. Há uma variedade de interpretações dos valores das constantes, incluindo a de um criador divino (o aparente ajuste fino é real e intencional), ou que o nosso é um universo de muitos em um multiverso (por exemplo, a interpretação de muitos mundos de quantum mecânica ), ou ainda que, se a informação é uma propriedade inata do universo e logicamente inseparável da consciência, um universo sem a capacidade de seres conscientes não pode existir.

Descobriu-se que as constantes e quantidades fundamentais da natureza são ajustadas a uma faixa tão extraordinariamente estreita que, se não fosse, a origem e a evolução da vida consciente no universo não seriam permitidas.

Tabela de constantes físicas

A tabela abaixo lista algumas constantes usadas com frequência e seus valores recomendados para CODATA. Para obter uma lista mais extensa, consulte Lista de constantes físicas .

Quantidade	Símbolo	Valor	Incerteza padrão relativa
carga elementar	$e$	1.602 176 634 × 10 ⁻¹⁹ C	Exato por definição
Constante de gravitação newtoniana	${\estilo de exibição G}$	6.674 30 (15) × 10 ⁻¹¹ m ³ ⋅kg ⁻¹ ⋅s ⁻²	2,2 × 10 ⁻⁵
Constante de Planck	$h$	6.626 070 15 × 10 ⁻³⁴ J⋅Hz ⁻¹	Exato por definição
velocidade da luz no vácuo	${\estilo de exibição c}$	299 792 458 m⋅s ^-1	Exato por definição
permissividade elétrica a vácuo	$\varepsilon _{0}=1/\mu _{0}c^{2}$	8.854 187 8128 (13) × 10 ⁻¹² F⋅m ⁻¹	1,5 × 10 ⁻¹⁰
permeabilidade magnética a vácuo	${\estilo de exibição \mu _{0}}$	1.256 637 062 12 (19) × 10 ⁻⁶ N⋅A ⁻²	1,5 × 10 ⁻¹⁰
massa do elétron	$m_{\mathrm {e} }$	9.109 383 7015 (28) × 10 ⁻³¹ kg	3,0 × 10 ⁻¹⁰
constante de estrutura fina	$\alpha =e^{2}/2\varepsilon _{0}hc$	7,297 352 5693 (11) × 10 ⁻³	1,5 × 10 ⁻¹⁰
Constante de Josephson	$K_{\mathrm {J} }=2e/h$	483 597 .8484... × 10 ⁹ Hz⋅V ⁻¹	0
Constante de Rydberg	$R_{\infty }=\alpha ^{2}m_{\mathrm {e} }c/2h$	10 973 731 .568 160 (21) m- ¹	1,9 × 10 ⁻¹²
constante de von Klitzing	$R_{\mathrm {K} }=h/e^{2}$	25 812 .807 45 ... Ω	0