Constante de estructura fina

La constante de estructura fina, o constante de Sommerfeld, denotada por la letra griega α e, es la constante de acoplamiento de la interacción electromagnética, de la cual expresa la intensidad relativa a la carga elemental. Fue introducido por Arnold Sommerfeld en 1916 como una medida de la desviación relativista de las líneas espectrales del modelo atómico de Bohr y se expresa por una relación entre constantes físicas elaboradas en el campo del electromagnetismo. Como todas las constantes de acoplamiento, es una cantidad adimensional independiente del sistema de unidad utilizado.

En el sistema internacional de unidades (SI), la constante de estructura fina se define como: donde: en el sistema de unidades de medida electrostática CGS, debido a la diferente definición de las constantes físicas para las que k es 1, toma la forma: la constante de estructura fina también se puede ver como el cuadrado de la relación entre la carga elemental y la carga de Planck.

La formulación y el valor recomendados Para α y desde 2018 codificados son: con una desviación estándar relativa de 0,15 ppb. Incluso si el valor de α puede deducirse del valor de las constantes que aparecen en su formulación matemática, la teoría de la electrodinámica cuántica (QED) nos permite medir directamente su valor a través del efecto Hall cuántico o el momento magnético del electrón. El QED proporciona una relación entre la relación giromagnética del electrón, o el factor de Landé G (g), y la constante de estructura fina α. El valor más preciso de α hasta ahora obtenido experimentalmente se basa en una nueva medición del momento magnético del electrón. El resultado obtenido para el recíproco de α es: con una incertidumbre de 0,25 partes por billón.

Un valor más simple de la constante de estructura fina es su raíz, que corresponde a la relación de la carga elemental a la carga de Planck, y resulta ser aproximadamente 11.70.

La constante de estructura fina es una constante adimensional que tiene una importancia fundamental en la Física Teórica. Su existencia es interpretada por algunos científicos como una indicación de lo incompleto de nuestra forma actual de interpretar las leyes de la naturaleza. De hecho, una constante adimensional, precisamente porque es independiente de una unidad de medida, aparece en una teoría como un factor arbitrario. En la historia de la ciencia casi todas las constantes adimensionales fueron eliminadas en algún momento gracias a una expansión de sus teorías. Por ejemplo, las permittividades eléctricas relativas de los materiales se pueden calcular a partir de principios primos con modelos modernos de la estructura de la materia. Sin embargo, por el momento (2006) no existe tal explicación, que es coherente y verificable, para α {\displaystyle \ alpha } . La constante de la estructura fina tiene una gran importancia en la teoría filosófico-científica del principio antrópico; de hecho, este parámetro adimensional tiene una influencia fundamental en el universo. Si su valor fuera ligeramente diferente (alrededor del 10-20%) del valor conocido, el universo sería diferente de cómo lo vemos, y las leyes físicas no serían como las conocemos. Por ejemplo, las relaciones entre las fuerzas atractivas y repulsivas entre partículas elementales serían diferentes, con consecuencias en la Constitución de la materia y la actividad de las estrellas. En un universo con α {\displaystyle \ alpha } diferente nosotros mismos no podríamos existir. La constante de estructura fina está ganando cada vez más visibilidad en cosmología, ya que tiene un papel importante en la teoría de cuerdas y multiverso.

Se ha argumentado durante mucho tiempo que el valor de la constante de estructura fina siempre ha permanecido constante a lo largo de la historia del universo. Una variación de α {\displaystyle \ alpha } se ha propuesto explicar algunos problemas en cosmología y Astrofísica, pero más generalmente hay un interés en la Posible variación del valor de las constantes a lo largo del tiempo (no solo de α {\displaystyle \ alpha } ) que surge de la teoría de cuerdas y otras propuestas que pretenden ir más allá del modelo estándar de la física de partículas. En las primeras pruebas se examinaron las líneas espectrales de objetos astronómicos distantes y el proceso de desintegración radiactiva en el reactor de fisión nuclear natural de Oklo (Gabón), pero no se encontraron pruebas de variaciones. Mediciones del valor de α a mayores distancias, llevaron al grupo liderado por J. K. Webb, de la Universidad de Nueva Gales del Sur, a indicar una detección de cambio en el valor de α . } Usando observaciones hechas con telescopios Keck en 128 cuásares a corrimiento al rojo de 0 , 5 & lt; z & lt; 3 {\displaystyle 0.5 & lt; z & lt; 3} , Webb y su grupo encontraron que los espectros estaban de acuerdo con un ligero aumento en la constante en los últimos 10-12 mil millones de años, que se puede expresar por: en 2004 se propusieron varios métodos para medir si, en el pasado de la historia cósmica, α asumió diferentes valores: dada la dependencia de este valor de las principales constantes físicas, sería una indicación de que las leyes físicas varían con el tiempo {\displaystyle \ alpha. Hasta 2005, no se encontraron desplazamientos significativos que no fueran atribuibles a errores de medición. En 2010, a partir de un estudio de 153 mediciones realizadas en el proyecto Very Large Telescope de ESO, la constante parece mostrar un valor diferente al del pasado, abriendo así hipótesis sobre la no validez universal de las leyes de la física. En 2020, un estudio de la luz emitida por el quasar j1120+0641 publicado en Science Advances plantea la hipótesis de que la constante de estructura fina depende no solo del tiempo sino también de la dirección en la que se observa. Si se confirma, la propiedad isotrópica del universo, que es uno de los fundamentos del principio cosmológico, se perdería y el mismo modelo estándar tendría que ser profundamente modificado.

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