La nivel fundamental, universul nostru este constituit din patru componente esențiale: spațiu-timpul, particulele, forțele și interacțiunile acestora. Împreună, ele formează structura fizică și dinamică a cosmosului. Spațiu-timpul reprezintă cadrul în care toate lucrurile există și se desfășoară; particulele sunt entitățile materiale ce umplu spațiul; iar forțele reglează modul în care aceste particule interacționează între ele. Totuși, pentru a descrie cu exactitate modul în care universul operează, necesita mai mult: constantele fundamentale.
Ce sunt constantele fundamentale?
Constantele fundamentale sunt valori fixe, universale, utilizate în ecuațiile fizicii pentru a determina comportamentul forțelor și caracteristicile particulelor. Ele reglează totul: cât de puternică este gravitația, cât de repede poate călători o particulă, câtă energie transportă un foton sau cum evoluează universul de-a lungul timpului. Deși există numeroase constante exprimate în diverse unități de măsură, cele mai relevante sunt constantele adimensionale: valori fără unități, pur și simplu numere “pure” care exprimă raporturi fundamentale între mărimi fizice.
De ce sunt substanțiale constantele adimensionale? Pentru că ele descriu natura în cel mai fundamental mod, independent de sistemul de măsură utilizat. Ele reflectă proporțiile esențiale ale universului. Conform înțelegerii actuale, sunt necesare 26 astfel de constante pentru a caracteriza universul observabil. Vom explora aceste constante în continuare.
1. Constanta structurii fine (α)
Cunoscută și sub denumirea de “fine-structure constant”, această constantă stabilește puterea interacțiunii electromagnetice. Ea reprezintă raportul dintre alte constante fundamentale: sarcina elementară (qe), constanta lui Planck redusă (ħ) și viteza luminii (c), toate corelate prin permitivitatea vidului (ε0). La scarile energetice specifice universului nostru, valoarea sa este aproximativ 1/137. Această constantă are un impact major, de la chimie la fizica atomică.
2. Constanta de cuplare a forței tari (αs)
Această constantă parametrizează puterea interacțiunii nucleare tari – forța care “lipește” quarcurile în protoni și neutroni și, ulterior, menține nucleele atomice unite. Ea nu are o valoare fixă, ci variază în funcție de energie, dar poate fi exprimată printr-o valoare numerică la o anumită scară.
3-17. Masele particulelor fundamentale
Modelul Standard definește 15 particule masive: 6 quarcuri, 6 leptoni și 3 bosoni (W+, W−, Z0 și bosonul Higgs). Fiecare dintre acestea are o masă asociată, care nu poate fi derivată în prezent dintr-un principiu mai fundamental. Speranța fizicienilor este că toate aceste mase ar putea să rezulte dintr-o teorie unificată, dar în prezent avem nevoie de 15 constante pentru a le exprima.
18-21. Matricea CKM (Cabibbo–Kobayashi–Maskawa)
Această matrice conține 4 constante care descriu modul în care quarcurile se transformă unul în altul (așa-numita “amestecare” de stare cuantică) în cadrul interacțiunii slabe. Aceste constante sunt esențiale pentru înțelegerea unor fenomene precum dezintegrarea radioactivă și încălcarea simetriei CP în sectorul quarcurilor.
22-25. Parametrii oscilației neutrinilor
Neutrinii, deși au masă extrem de mică, oscilează între cele trei “arome” ale lor (electronici, muonici, tau) în timpul propagării. Acest comportament a fost o surpriză majoră, demonstrând că neutrinii necesită 4 constante adiționale pentru a fi complet descriși în cadrul Modelului Standard extins.
26. Constanta cosmologică (Λ)
Aceasta este asociată cu energia întunecată, fenomenul responsabil pentru accelerarea expansiunii universului. Valoarea acestei constante este extrem de mică, dar cu efecte cosmologice imense.
