Ya sabemos cómo medir una de las constantes universales más esquivas (y puede ayudarnos a conocer mejor el universo)

Las conversaciones que Albert Einstein mantenía con algunos de sus colegas y amigos por carta nos han legado un puñado de reflexiones muy valiosas. Su antigua alumna Ilse Rosenthal-Schneider fue también una confidente y colaboradora muy apreciada por el físico alemán, lo que propició que compartiese con ella algunas ideas que pululaban por su mente durante las décadas de los años 40 y 50 del siglo pasado.

"Hay dos tipos de constantes: aparentes y reales. Las constantes aparentes resultan simplemente de introducir unidades arbitrarias, pero pueden ser eliminadas. Las constantes reales son auténticos números que Dios debió escoger arbitrariamente cuando se dignó a crear este mundo", aseveró Einstein en una de las cartas que envió a Rosenthal-Schneider durante la estancia de la física y filósofa alemana en la Universidad de Sídney.

Esta reflexión nos invita a no pasar por alto la enorme importancia que tienen las constantes universales en nuestro esfuerzo por entender un poco mejor las reglas que rigen la naturaleza. De hecho, en el dominio de la ciencia una constante física es el valor que adquiere una determinada magnitud involucrada en procesos físicos que tiene una característica fundamental: permanece inalterada a lo largo del tiempo.

La constante de estructura fina moldea (y permea) todo el universo

Algunas constantes fundamentales con las que todos estamos en cierta medida familiarizados son la velocidad de la luz en el vacío, la carga elemental o las constantes de gravitación y Planck, pero hay otras. Muchas otras. Y una de las más esquivas es, precisamente, la constante de estructura fina. Es esquiva en el sentido de que resulta muy difícil medirla con precisión de una forma directa. De hecho, hasta ahora los científicos habían calculado su valor de una forma indirecta, lo que requiere inferirlo a partir de otras magnitudes físicas.

Antes de seguir adelante merece la pena que hagamos un breve alto en el camino para indagar en esta magnitud física fundamental. Os propongo que dejemos a un lado la definición formal de la constante de estructura fina para no complicar este artículo excesivamente, pero lo que no podemos pasar por alto es que la constante de Sommerfeld, como también se la conoce, cuantifica la interacción electromagnética que tiene lugar entre las partículas con carga eléctrica. Ni más ni menos.

Curiosamente, si su valor fuese ligerísimamente distinto (aproximadamente es 1/137,0360 ≃ 0,00729735) nuestro universo no sería tal y como es. De hecho, sería completamente diferente. La estructura de los átomos sería distinta, la interacción entre las partículas sería diferente, e, incluso, las reacciones de fusión nuclear que tienen lugar en el núcleo de las estrellas ocurrirían de otra forma. Puede que ni siquiera se diesen las condiciones necesarias para que tengan lugar, y en ese caso el "horno nuclear" no llegaría a encenderse. Así de importante es esta constante.

Otra característica muy relevante que tampoco podemos obviar consiste en que es una magnitud adimensional. Esto significa, sencillamente, que es independiente del sistema de unidades que utilicemos, y, por tanto, no está emparejada a ninguna unidad. Es, simplemente, un número. Un valor. En cualquier caso, dada su implicación en algunos fenómenos físicos fundamentales cuantificarla con precisión es esencial para comprenderlos y caracterizarlos mejor.

Como hemos visto, los procedimientos utilizados habitualmente por los científicos para calcular el valor de la constante de Sommerfeld permiten cuantificarlo de forma indirecta. Hasta ahora. Y es que un equipo de investigadores de la Universidad de Tecnología de Viena ha ideado un experimento que, según el profesor Andrei Pimenov, que es el líder de estos físicos, les ha permitido calcularlo de forma directa. Y abordar así esta constante, sin que medien otros cálculos, presumiblemente nos entrega una medida más precisa.

Si tenéis curiosidad por saber cómo lo han hecho y no os intimida la física experimental os sugiero que echéis un vistazo al artículo científico que han publicado estos investigadores en Applied Physics Letters. Es complejo, pero también es interesantísimo y demuestra lo ingeniosos que son algunos científicos cuando se ven obligados a elaborar estrategias originales para sortear las barreras que se interponen entre ellos y el propósito de su investigación.

Muy a grandes rasgos lo que han hecho ha sido polarizar un haz láser y dirigirlo hacia una lámina extremadamente fina de un material de solo unos pocos nanómetros de espesor con el propósito de que este último modifique la dirección de polarización de la luz. Durante sus pruebas emplearon varios materiales con distinta composición y espesor hasta que, ¡bingo!, encontraron uno que "obliga" a la luz del láser a oscilar en una dirección diferente.

Lo que más les sorprendió es lo mismo que nos ha traído hasta aquí. "Este experimento nos dio acceso directo a algo muy inusual: la medida de una rotación en el ámbito de la mecánica cuántica. Y a partir de ahí la constante de estructura fina emergió inmediatamente bajo la forma de un ángulo", explica Andrei Pimenov. Suena complicado, y lo es, pero también es apasionante. Y cuando esta complejidad puede ayudarnos a entender un poco mejor cómo funciona la naturaleza, bienvenida sea.

Imagen de portada: Arek Socha en Pixabay

Más información: Applied Physics Letters