¿Cuáles son las constantes físicas fundamentales más importantes?

Answer 1

La mayoría de las constantes físicas mencionadas en las respuestas hasta ahora las opciones de unidad. Eso significa que son equivalentes a la diferencia entre un metro y una yarda: es decir, hay una nueva constante física d = 1 metro / 1 yarda. Estas constantes pueden ser útiles para la aritmética, pero ciertamente no son profundas o fundamentales.

Hay solo 29 parámetros totales (o constantes fundamentales) en la naturaleza que hemos descubierto

• Acoplamientos de calibre 3
• 2 parámetros de Higgs: la masa de Higgs y el valor de expectativa de vacío de Higgs
• 6 masas quark
• 3 ángulos de mezcla de quarks
• 1 fase de quark imaginaria
• 3 masas leptónicas
• 3 masas de neutrinos
• 3 ángulos de mezcla de neutrinos
• 3 fases imaginarias de neutrinos
• 1 parámetro de CP fuerte
• 1 constante cosmológica

La constante de Newton es una opción de escala de masa, la velocidad de la luz es una opción para normalizar las distancias con respecto al tiempo, hbar es una opción sobre cómo obtener el momento angular normal, no me refiero a epsilon_0 o mu_0 o la constante de Boltzmann.

Lo que notó de inmediato es que probablemente no conozca muchos de estos parámetros a menos que haya estudiado la física de partículas. Esta es una de las razones por las que estudiamos la física de partículas, porque es la única forma de responder preguntas como esta. Pero si está preguntando por la importancia, la dificultad para acceder a estas constantes físicas disminuye su importancia de una manera objetiva (aparte de la novedad y el misterio potencial).

Entonces, de estos 29 parámetros, solo 5 determinan casi todas las leyes de la naturaleza que observamos: los acoplamientos de galga fuerte y los acoplamientos de galga electromagnética , la masa de quark up y la masa de quark down [*] y la masa de electrones . Conocíamos los efectos de estos parámetros desde principios del siglo XX. Todo lo demás ha sido descubierto desde entonces. Declaro que estas son las constantes físicas fundamentales más importantes.

Aquí es cómo trabajan aproximadamente

• Primero, la gravedad siempre está ahí y la constante de Newton, [math] G_N [/ math], es 1 en algunas unidades. El acoplamiento de calibre fuerte determina la masa del protón y el neutrón (y predice que son iguales). Esto determina la escala de masa de la materia, que se establece por la masa de protones. La masa del protón determina con qué fuerza gravita la materia porque en última instancia es [math] G_N m_p ^ 2 [/ math] que es la constante de acoplamiento de la gravedad. Como puedo configurar [math] G_N = 1 [/ math], realmente es [math] m_p [/ math] el parámetro relevante. La masa del protón está determinada por la constante de acoplamiento de fuerza de gran calibre que establece la fuerza de la gravedad. El residuo del acoplamiento de gran calibre también da lugar a toda la estructura general de la física nuclear.
• El acoplamiento electromagnético de acoplamiento es la fuerza de largo alcance que da origen a la estructura atómica.
• La masa del electrón junto con la constante de acoplamiento electromagnético es lo que establece la escala para toda la física atómica y molecular.
• La diferencia de las masas de quarks arriba y abajo hace que el protón sea más ligero que el neutrón.
• Finalmente, si solo cuenta esta última diferencia de parámetros como una constante, el valor de la expectativa de vacío de Higgs es el origen del debilitamiento nuclear débil. Por lo tanto, esto es todo lo que se enseña en los cursos de física de pregrado de 5 constantes de la naturaleza.

Debo señalar que hay varios otros parámetros cosmológicos, pero estas no son constantes fundamentales a medida que cambian a lo largo de la historia del Universo, pero pueden surgir de la física hasta ahora desconocida.

[*] técnicamente, solo la diferencia entre la masa del quark up y del quark down es importante. Si se me permite agregar otro, agregaría el valor de expectativa de vacío de Higgs porque es responsable de la desintegración radioactiva.

Answer 2

Hay varios tipos de constantes físicas.

Primero, hay muchas “constantes” famosas que en realidad son declaraciones acerca de las unidades que usamos. Todo esto se puede establecer igual a 1, que es una forma de afirmar que nuestro sistema de unidades SI normal está sobre definido. Éstos incluyen

• La velocidad de la luz c = 3.0E8 m / s, una constante para todos, independientemente del marco de referencia. Entonces podemos decir que c = 1, o 1s = 3E8 m – el tiempo y el espacio son cosas similares para las cuales hemos elegido usar diferentes unidades. Cuando hace esta elección, todas las velocidades son solo números reales entre 0 y 1 sin ninguna unidad. Además, esta identificación muestra que la masa, el impulso y la energía tienen todas las mismas unidades.
• La constante de Boltzmann k = 1.38E-23 J / K aparece en fórmulas termodinámicas con respecto a la cantidad promedio de energía por grado de libertad en una sustancia a temperatura T (K es Kelvin, un sistema unitario para temperatura). Que esto sea constante realmente nos dice que la temperatura es una unidad de medida extraña, y podemos decir que 1 = k o 1K = 1.38E-23 J.

• La constante de Planck [math] \ hbar = 1.055 \ times 10 ^ -34 Js [/ math] se puede establecer igual a uno. Esto muestra que nuestra unidad de tiempo está inversamente relacionada con nuestra unidad de energía. Como ya hemos demostrado que las unidades de tiempo y distancia son equivalentes y las unidades de masa / momento / energía son equivalentes, esto nos deja con una unidad básica [M] (alguna escala de masa), donde masa / momento / energía tienen unidades M y tiempo / distancia tienen unidades 1 / [M].
• Constante de Newton G = 6.67E-11 Jm / kg ^ 2. Esto también se puede establecer igual a 1, pero tenga en cuenta que una vez que convertimos nuestro lado derecho al uso de M, tiene unidades de 1 / [M] ^ 2. Por lo tanto, la configuración G = 1 define una escala de masa intrínseca para el universo (llamada masa de Planck). Una vez que hemos hecho esto, vemos que ya no hay unidades arbitrarias! La masa, el impulso, la energía, el tiempo, la distancia y la temperatura se han convertido en números absolutos *. Estas son llamadas unidades naturales. En realidad, no son tan convenientes de usar, pero es importante saber que existen. **

Los puntos principales de esto son que

1. Todas las unidades que utilizamos son producto de la situación en la que nos encontramos: el universo no tiene unidades intrínsecas.
2. La velocidad de la luz c, las constantes k de Boltzmann, la constante de Planck y las constantes de Newton NO son constantes físicas, son declaraciones sobre cómo hemos construido nuestros sistemas de unidades que están sesgados en la forma en que experimentamos el universo.

Entonces, ¿cuáles son las constantes físicas en el universo?

• Masas de las partículas del Modelo Estándar. Ya que puedes escribirlos como fracciones de la masa de Planck, son parámetros reales sin ninguna unidad.
• Acoplar constantes entre diferentes partículas en el Modelo estándar, como la constante de estructura fina [math] \ alpha \ approx 1/137 [/ math] que describe la “fuerza” de la fuerza electromagnética. También hay una constante de acoplamiento fuerte y una constante de acoplamiento débil. (En realidad, las masas también son constantes de acoplamiento, describen cuán fuertes son las parejas de partículas al Higgs).
• Hay algunas matrices en el Modelo Estándar, como la matriz CKM y una matriz similar para los neutrinos que aún no se conoce, que aportan algunos parámetros adicionales. Estos parámetros explican la frecuencia de “mezcla” de eventos que incluyen desintegraciones de partículas radiactivas o partículas elementales inestables, mezcla de neutrinos, etc.

Juntos, estos se suman a unos 25 parámetros reales, independientes del sistema de unidades, que describen nuestro universo (obtuve este número, que verifiqué dos veces, de Page en Physik.uni-mainz.de)

* Podrías protestar que estas unidades naturales no eliminan la carga eléctrica. Sin embargo, la carga eléctrica realmente solo cuenta los números de algunas partículas subatómicas. Toda la carga proviene de electrones y protones (o quarks, si lo prefiere), donde los protones llevan una carga 1.6E-19 C y los electrones llevan el opuesto. Entonces, 1 coulomb es solo una medida de la diferencia neta entre el número de protones y el número de electrones en una muestra de materia.

** Una teoría de la gravedad cuántica podría cambiar esto. Tenga en cuenta que las fuerzas electromagnéticas, débiles y fuertes tienen sus propias constantes de acoplamiento, mientras que G, que parece que debería ser la constante de acoplamiento de la gravedad, se convirtió en un artefacto de nuestras unidades. Este rompecabezas está relacionado con el fuerte principio equivalente de que las masas gravitacionales e inerciales son iguales (o que la masa es la carga gravitacional, mientras que una partícula obtiene una carga eléctrica separada y algunas cargas débiles / fuertes además de su masa).

Answer 3

Esto realmente depende del campo de la física que mires, o quizás de si eres un químico o un biólogo. En cuanto a la importancia, puedo pensar tal vez …

• [math] \ alpha [/ math] – la constante de estructura fina
• [math] \ epsilon_0 [/ math] – la constante de permitividad del vacío
• [math] \ hbar [/ math] – la constante de Planck reducida
• [math] c [/ math] – la velocidad de la luz en un vacío
• [math] \ alpha_G [/ math] – la constante de acoplamiento gravitacional

Tenga en cuenta, con esto:

[mates]
\ alpha = \ frac {e ^ 2} {4 \ pi \ epsilon_0 \ hbar c}
[/mates]

[mates]
c = \ frac {1} {\ sqrt {\ epsilon_0 \ mu_0}} = \ lambda \ nu
[/mates]

[mates]
\ alpha_G = \ frac {G me ^ 2} {\ hbar c} = \ left (\ frac {m_e} {m_P} \ right) ^ 2
[/mates]

---

Se podría argumentar que las unidades de planck natural (escala de planck) son las más importantes: las unidades naturales.

Answer 4

No puedo agregar un comentario a la respuesta de Jay Wacker, pero además de la constante cosmológica importante, las constantes de acoplamiento del calibre y la escala de Higgs (que determinan la escala de la masa y la carga en el electrón), la masa del electrón. El quark arriba y abajo (que hace que el neutrón sea más pesado que el protón, y que cambie estas masas en aproximadamente un 1-3%), la extraña masa del quark también es un importante parámetro del día a día, ya que el extraño quark es lo suficientemente ligero como para tienen un condensado parcial, aproximadamente la mitad de la fuerza de los condensados ​​ascendentes y descendentes, y esto modifica la estructura de vacío de QCD, y también modifica las masas de protones y neutrones y los acoplamientos de interacción fuerte en una cantidad no despreciable, aproximadamente el 10%, Más grande que la contribución de los quarks up y down. El condensado extraño también modifica todas las interacciones fuertes, por lo que todos los niveles de energía y las masas de los núcleos, en cantidades mayores que la masa ascendente y descendente (excepto en la medida en que estos cero, hacen que el pión no tenga masa). Así que estos 3 parámetros de masa de quark más la masa de electrones son importantes. Necesitas conocer la extraña masa del quark también.

Podría decirse que el fuerte ángulo theta (parámetro CP) también es importante, ya que si no fuera cero, las interacciones fuertes serían completamente desequilibradas.

También hay un parámetro faltante en las cuentas publicadas ordinarias: con una masa de neutrinos distinta de cero, también hay un ángulo theta débil (un “parámetro CP” débil, pero no aparece como CP en el CP que ya viola las interacciones débiles) , que solo puede ser absorbido en la definición de la fase del campo de neutrinos cuando el neutrino no tiene masa. Este parámetro es casi imposible de medir, ya que solo afecta las fases de los leptones emitidos en la desintegración de protones del modelo estándar, o la fase de los barones producidos en los modelos de leptogénesis, por lo que no vamos a saber de qué se trata. tiempo en el futuro previsible, a menos que tengamos suerte y veamos una violación estándar del modelo B en LHC.

Los parámetros restantes, las masas de neutrinos y los ángulos de mezcla, las masas de los quarks pesados, los parámetros débiles generalmente no son importantes para la física del día a día, pero de los ángulos de mezcla, tal vez debería incluirse el ángulo de Cabibo, porque es relevante para interacciones débiles, y es posible que el sol no brille correctamente, ya que necesita una reacción débil de pp a d para que funcione.

Answer 5

Para el ser humano promedio, la vida con una G diferente sería rara

Además, cualquier constante relacionada con el electromagnetismo … porque, ya sabes … nos mantiene unidos.