22/05/2018
Cuántas constantes fundamentales hay en el universo
A lo largo de siglos de investigación científica, hemos logrado comprender los componentes básicos de nuestro universo. Las partículas conocidas del Modelo Estándar conforman toda la materia ordinaria que conocemos, y estas partículas interactúan a través de cuatro fuerzas fundamentales: la fuerza nuclear fuerte, la fuerza nuclear débil, la fuerza electromagnética y la fuerza gravitacional. Estas partículas, al interactuar con el tejido del espacio-tiempo, lo distorsionan y modifican según la energía que poseen y las leyes de la Relatividad General de Einstein. Al mismo tiempo, los campos cuánticos que generan estas partículas se extienden por todo el espacio.
Para comprender completamente estas interacciones y las propiedades de las partículas, necesitamos conocer la intensidad de estas fuerzas y las características fundamentales de cada partícula. Nuestras leyes y ecuaciones, aunque poderosas, no nos proporcionan toda la información necesaria. Para responder a muchas de estas preguntas, necesitamos un parámetro adicional que debemos medir: una constante fundamental. Cada uno de estos parámetros se traduce en una constante fundamental necesaria para describir completamente nuestro universo. Pero, ¿cuántas constantes fundamentales existen en la actualidad?
El concepto de constante fundamental
Definir una constante fundamental no es una tarea sencilla, ya que nuestra mejor descripción del universo es incompleta y posiblemente no sea la más simple. Una constante fundamental es un valor numérico que se cree que es invariable en el tiempo y el espacio. Estas constantes son esenciales para las leyes de la física y describen las propiedades fundamentales del universo. Algunos ejemplos incluyen la velocidad de la luz, la constante gravitacional y la carga del electrón.
Interacciones y constantes fundamentales
Para comprender la necesidad de las constantes fundamentales, consideremos un electrón, una de las partículas fundamentales más simples. Al interactuar con otro electrón, se generan diversas interacciones que nos permiten comprender la necesidad de una "constante fundamental" para explicar algunas de sus propiedades. Por ejemplo, los electrones tienen una carga fundamental (e) y una masa fundamental (m).
Estas interacciones se rigen por diferentes fuerzas y constantes:
- Fuerza gravitacional: Los electrones se atraen gravitacionalmente entre sí de forma proporcional a la fuerza gravitacional, que se rige por la constante gravitacional universal (G) .
- Fuerza electromagnética: Los electrones se repelen electromagnéticamente entre sí de forma inversamente proporcional a la fuerza de la permitividad del espacio libre (ε).
- Otras constantes: Existen otras constantes que también desempeñan un papel crucial en el comportamiento de estas partículas, como la velocidad de la luz (c) , la constante de Planck (ħ) , y las constantes relacionadas con la fuerza nuclear débil y la fuerza nuclear fuerte.
Constantes adimensionales
Las constantes fundamentales suelen tener unidades asociadas, como culombios, kilogramos, metros por segundo, etc. Sin embargo, estas unidades son arbitrarias y son un producto de cómo los humanos medimos e interpretamos el entorno. Los físicos, al hablar de constantes verdaderamente fundamentales, reconocen que no hay una importancia inherente a ideas como "la longitud de un metro" o "el intervalo de tiempo de un segundo". Podríamos trabajar con cualquier unidad y las leyes de la física se comportarían exactamente igual.
De hecho, podemos describir todo lo que queremos saber sobre el universo sin definir una unidad fundamental de "masa", "tiempo" o "distancia". Podríamos describir las leyes de la naturaleza utilizando únicamente constantes adimensionales, es decir, constantes que son solo un número puro, sin metros, kilogramos, segundos ni ninguna otra "dimensión".
Constantes fundamentales en el Modelo Estándar
El Modelo Estándar de la física de partículas describe las partículas fundamentales y sus interacciones. Para describir completamente el universo, necesitamos un conjunto de constantes fundamentales. A continuación, se presenta un desglose de las constantes fundamentales necesarias:
La constante de estructura fina (α):
Describe la fuerza de la interacción electromagnética. Su valor actual es aproximadamente 1/13036, aunque su fuerza aumenta con la energía de las partículas que interactúan.
La constante de acoplamiento fuerte:
Define la fuerza que mantiene unidos a los bariones (como protones y neutrones) y la fuerza residual que les permite unirse en combinaciones complejas de núcleos atómicos.
3-1Acoplamientos de Higgs:
Cada una de las partículas masivas del Modelo Estándar (quarks, leptones, bosones W, Z y Higgs) requiere un acoplamiento único al bosón de Higgs para explicar su masa.
18-2Parámetros de mezcla de quarks:
Cuatro parámetros, conocidos como la matriz de mezcla CKM, describen cómo los quarks se mezclan y oscilan entre sí. Este proceso es esencial para la interacción débil y afecta la desintegración de quarks, la violación de CP y la desintegración radiactiva.
22-2Parámetros de mezcla de neutrinos:
De manera similar a los quarks, cuatro parámetros describen cómo los neutrinos se mezclan entre sí. Estos parámetros se conocen como la matriz PMNS.
2La constante cosmológica:
La existencia de la energía oscura requiere una constante adicional, la constante cosmológica de Einstein, para explicar la expansión acelerada del universo.
Rompecabezas sin resolver
Incluso con estas 26 constantes, todavía hay preguntas sin respuesta que podrían requerir constantes adicionales. Algunos de estos rompecabezas incluyen:
- La asimetría materia-antimateria.
- La inflación cósmica.
- La materia oscura.
- La violación de CP en las interacciones fuertes.
Con las 26 constantes fundamentales actuales, los físicos pueden simular y calcular predicciones para la mayoría de los aspectos del universo. Sin embargo, aún quedan preguntas sin respuesta que podrían requerir la adición de más constantes en el futuro. La búsqueda de una comprensión completa del universo continúa, y la cantidad de constantes fundamentales necesarias para describirlo podría cambiar a medida que nuestra comprensión se profundiza.
Las constantes del universo son valores numéricos fundamentales que rigen las leyes de la física y las propiedades del universo. Si bien hemos identificado 26 de estas constantes, la búsqueda de una comprensión completa del universo continúa, y es posible que se necesiten más constantes para explicar los misterios que aún persisten.
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