¿Qué es la Constante de Estructura Fina y Cómo la Calculan los Físicos?

^{Por: Amal Pushp, Físico Afiliado de Resonance Science Foundation} 

La constante de estructura fina, también llamada constante de Sommerfeld o constante de acoplamiento electromagnético, es una de las constantes físicas fundamentales que caracteriza la fuerza de la interacción electromagnética entre partículas atómicas cargadas. El nombre de esta constante fue acuñado por el físico Arnold Sommerfeld, que amplió el modelo atómico de Bohr con la motivación de explicar las líneas de estructura fina observadas en los espectros del hidrógeno, que los modelos anteriores no habían logrado explicar satisfactoriamente.

Las constantes físicas suelen ser de dos tipos: las que tienen asociada una unidad propia y las adimensionales. La constante de estructura fina es de este último tipo, es adimensional y se representa mediante un número. Diversas sondas han determinado que este número se aproxima a 1/137.  

Los físicos han estimado que los valores de las constantes fundamentales están afinados. En este sentido, la constante de estructura fina no es diferente. Cualquier pequeña desviación en su valor numérico habría dado lugar a un universo muy distinto del actual. Para ser explícitos sobre las consecuencias que podría haber planteado: el tamaño atómico se habría alterado, los sistemas estelares y sus procesos habrían funcionado de forma muy distinta a como lo hace, y posiblemente no habría habido vida inteligente presente. 

Sin embargo, hay un giro argumental a la espera. ¡Hay pruebas que indican que la constante de estructura fina no es una constante, sino que tiene valores variables! Aunque el concepto plantea retos a nuestras nociones preconcebidas sobre el universo, resuelve algunas cuestiones importantes de interés astrofísico. 

En cuanto a las técnicas de medición, existen varios métodos para medir la constante de estructura fina. Los enfoques de la teoría cuántica de campos, como la QED, permiten medir la constante utilizando el efecto Hall cuántico o el momento magnético anómalo del electrón. Otros métodos son la interferometría atómica y el efecto Josephson [1]. Una noción común a todos los métodos convencionales es que, para estimar un valor preciso de la constante de estructura fina, hay que medir también otras magnitudes físicas asociadas a ella, ya que cada método daría una definición diferente de la constante de estructura fina. En otras palabras, se trata de técnicas indirectas.

Sin embargo, hace poco unos físicos de la Universidad Técnica de Viena han realizado un experimento en el que han revelado directamente el valor de la constante de estructura fina. La investigación se publicó en la revista Applied Physics Letters [2]. Para describir brevemente el experimento, se trata de un rayo láser que incide sobre una fina película especial que puede cambiar la dirección de polarización de la luz. Andrei Pimenov, coautor del estudio, explica: "Que un material rote la polarización de un rayo láser no es, en sí mismo, nada inusual. Diferentes materiales pueden hacerlo; cuanto más gruesa es la capa de material, más rota la polarización del láser. Pero aquí se trata de un efecto completamente distinto. En nuestro caso, la polarización no gira continuamente, sino que salta". 

Cuando los investigadores calcularon el tamaño de este salto cuántico, descubrieron que el cuanto del cambio angular era exactamente igual a la constante de estructura fina. Así, al mostrar un cuanto de rotación, la constante de estructura fina es directamente observable como un ángulo.

^{La figura muestra un esquema del montaje experimental empleado. Una fuente luminosa (izquierda) envía un haz de luz a través de un material especial, que cambia la dirección de polarización en un ángulo dado por la constante de estructura fina. Créditos: Tatiana Lysenko / TU Wien} 

RSF en Perspectiva: 

La constante de estructura fina es uno de los parámetros importantes de nuestro universo, ya que describe la fuerza de una de las cuatro fuerzas fundamentales que lo componen. Curiosamente, también es una de las principales características de la teoría del campo unificado del físico Nassim Haramein. En el nuevo artículo titulado “Scale Invariant Unification of Forces, Fields & Particles in a Quantum Vacuum Plasma”, Haramein et al. conciben una ley de escala que ayuda a formular una interpretación geométrica de la constante de estructura fina. Además, también se presenta una solución exacta para la constante de estructura fina. Esto, en combinación con otras características, ayuda a unificar todas las constantes fundamentales en un único marco sistemático. Estén atentos para conocer más detalles, ya que el nuevo artículo se publicará en breve. 

Referencias  

[1] H Müller, et al "Atom‐interferometry measurement of the fine structure constant".  Annalen der Physik (2019). doi:10.1002/andp.201800346nj.  

[2] Alexey Shuvaev et al, Universal rotation gauge via quantum anomalous Hall effect, Applied Physics Letters (2022). DOI: 10.1063/5.0105159