Desde el punto de vista físico, una constante es aquella cantidad cuyo valor no varía independientemente del tiempo y el lugar.
Las constantes físicas pueden ser dimensionales o adimensionales. Las constantes dimensionales, como la velocidad de la luz, tienen unidades (metros por segundo en el SI). Las constantes adimensionales, como la constante de estructura fina (α), no tienen unidades y son consideradas constantes físicas fundamentales.
Se han planteado cerca de 29 contantes físicas esenciales para describir el universo y las leyes que lo rigen, de estas, 7 resultan fundamentales al encontrarse ligadas cada una a una unidad base del Sistema Internacional de Unidades (SI). Se eligieron oficialmente por la Conferencia General de Pesas y Medidas en 2019, para proporcionar valores precisos y universales a las unidades de medidas que se emplean en las ciencias. Ellas garantizan una cobertura completa de las magnitudes físicas fundamentales necesarias para medir tiempo, espacio, masa, temperatura, corriente, cantidad de sustancia e intensidad luminosa.
Constante Física vs. Constante Matemática
Es importante distinguir entre una constante física y una constante matemática. Mientras que una constante física representa un valor invariable en los procesos físicos, una constante matemática es un valor invariable que no está directamente implicado en ningún proceso físico. Ejemplos de constantes físicas incluyen la velocidad de la luz (c), la constante de gravitación (G) y la constante de Planck (h). Por otro lado, pi (π) y el número de Euler (e) son ejemplos de constantes matemáticas.
La frecuencia de la transición hiperfina del cesio-133 (Δν_Cs)
¿Qué es? Es la frecuencia de la radiación electromagnética que absorbe o emite un átomo de cesio-133 cuando su electrón más externo cambia de spin. Es el «latido del corazón» atómico que usamos para medir el tiempo.
Un átomo de Cesio 133 pasa del nivel hiperfino F=3 al nivel hiperfino F=4 emitiendo un fotón con una frecuencia de 9.192.631.770 Hz. Su valor no ha cambiado significativamente desde que se midió por primera vez en 1955. En otras palabras, un segundo se define como la duración de 9.192.631.770 ciclos de esta transición. Esto significa que el segundo es una unidad de tiempo extremadamente precisa. La precisión actual es de aproximadamente 1 segundo en 300 millones de años.
Define la unidad de tiempo, el segundo (s).
Valor definitorio: 9 192 631 770 Hz (hercios)
Manifestación/uso en biología y ecología:
Telemetría y Seguimiento Animal: Los collares y marcas GPS/GPS que se usan para rastrear la migración de animales (aves, mamíferos marinos, felinos) contienen relojes internos increíblemente precisos. La sincronización con los satélites GPS, que a su vez dependen de relojes atómicos de Cesio, es crucial. Un error de una milésima de segundo resultaría en un error de posicionamiento de cientos de metros, haciendo imposible seguir rutas migratorias precisas.
Cronobiología: El estudio de los ritmos circadianos (relojes biológicos) requiere una medida del tiempo extremadamente estable y precisa para comparar los ritmos internos de los organismos con el ciclo solar externo. Los laboratorios de cronobiología utilizan estándares de tiempo que se derivan ultimadamente de Δν_Cs.
La velocidad de la luz en el vacío (c)
¿Qué es? La velocidad máxima a la que puede viajar cualquier forma de energía, materia o información en el universo. Es una piedra angular de la Teoría de la Relatividad de Einstein.
La precisión de la velocidad de la luz en el vacío es actualmente de 1 parte en 10^15. Esto significa que el valor medido es 299.792.458 metros por segundo con una incertidumbre de 0,000.000.000.000.001 metros por segundo. Es una de las constantes físicas medidas con mayor precisión. La precisión actual de la velocidad de la luz se traduce en una precisión de un metro de aproximadamente 3 × 10 ^ (-10), o aproximadamente 30 nanómetros.
Define la unidad de longitud, el metro (m). Un metro es la distancia que recorre la luz en el vacío en 1/299 792 458 de segundo.
Valor definitorio: 299 792 458 m/s (metros por segundo)
Manifestación/uso en biología y ecología:
Teledetección y Sensores Remotos: Esta es la aplicación más directa en ecología. Satélites y drones usan sensores (LiDAR, multiespectrales, hiperespectrales) que miden la luz reflejada por la vegetación y los ecosistemas. Como la velocidad de la luz es constante y conocida, el tiempo que tarda un pulso láser (LiDAR) en regresar se puede convertir en una medición de distancia hiperprecisa. Esto permite:
– Modelar la estructura 3D de los bosques (biomasa forestal).
– Monitorizar cambios en la cobertura vegetal (deforestación).
– Medir la salud de las plantas (la clorofila sana refleja la luz infrarroja cercana de una manera específica).
La constante de Planck (h)
¿Qué es? La constante fundamental de la mecánica cuántica. Relaciona la energía de un fotón con la frecuencia de su onda (E = hν). Establece que la energía está cuantizada, es decir, viene en paquetes discretos llamados «cuantos».
Esto significa que el kilogramo ahora se define como la masa de un objeto que tiene una energía cinética de 6,626070 15 × 10^(-34) J cuando se mueve a una velocidad de 1 metro por segundo. La definición basada en la constante de Planck es independiente de cualquier objeto físico en particular. La precisión relativa es de aproximadamente 2 × 10^(-8), lo que significa que la masa de un kilogramo se conoce con una incertidumbre de aproximadamente 20 microgramos.
Define la unidad de masa, el kilogramo (kg). Se define indirectamente a través de la Balanza de Kibble, un instrumento que equipara la energía mecánica con la energía electromagnética usando *h*.
Valor definitorio: 6.626 070 15 × 10⁻³⁴ J·s (julios por segundo)
Manifestación/uso en biología y ecología:
Fotosíntesis y Visión: La captura de luz por las plantas (fotosíntesis) y por los ojos de los animales (visión) son procesos cuánticos. Un fotón con la energía correcta (E = h * f) es absorbido por una molécula (clorofila, retinal), provocando un cambio que inicia la cadena de reacciones. La constante de Planck determina por qué la clorofila absorbe mejor la luz roja y azul (frecuencias específicas) y no la verde, definiendo así la eficiencia misma de la conversión de energía solar en energía química.
Espectroscopía en Bioquímica: Técnicas como la espectrometría de fluorescencia o UV-Vis se usan para estudiar la estructura de proteínas, ADN y metabolitos. Se basan en medir cómo las moléculas absorben o emiten luz de frecuencias específicas, lo que depende directamente de los saltos de energía cuantizados gobernados por h.
La carga elemental (e)
¿Qué es? Es la magnitud de la carga eléctrica de un protón (positiva) o de un electrón (negativa). Es la unidad más pequeña de carga eléctrica libre.
Define la unidad de corriente eléctrica, el amperio (A). Un amperio es el flujo de 1/(1.602 176 634 × 10⁻¹⁹) cargas elementales por segundo.
La carga elemental es la carga eléctrica transportada por un protón o un electrón. El culombio (C) es la unidad de carga eléctrica. Se define como la cantidad de electricidad transportada por una corriente de un amperio durante un segundo. En otras palabras, un amperio es igual a un culombio por segundo 1 A = 1 C/s. La precisión de la carga elemental es actualmente de aproximadamente 2,5 × 10^(-8). Esto significa que el valor de e se conoce con una incertidumbre relativa de aproximadamente 25 partes por mil millones.
Valor definitorio: 1.602 176 634 × 10⁻¹⁹ C (culombios)
Manifestación/uso en biología y ecología:
Transporte Iónico y Potencial de Membrana: La vida depende del flujo de iones (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻) a través de las membranas celulares. La carga de estos iones es un múltiplo de e. Este flujo crea el potencial de acción en las neuronas (base del sistema nervioso) y el potencial de membrana en todas las células. La bioenergética, como la generación de ATP en la mitocondria, se basa en bombear protones (H⁺, carga +e) para crear un gradiente electroquímico.
Electroforesis: Técnica fundamental en biología molecular para separar ADN, ARN o proteínas. Se aplica un campo eléctrico, y las moléculas se separan según su tamaño y carga neta (que es un múltiplo de e). Es la base de la secuenciación genética y el análisis de proteínas.
La constante de Boltzmann (k)
¿Qué es? Relaciona la temperatura absoluta de un gas con la energía cinética promedio de sus moléculas. Es el puente entre el mundo macroscópico (la temperatura que sentimos) y el mundo microscópico (la energía de las partículas).
Define la unidad de temperatura termodinámica, el kelvin (K).
Valor definitorio: 1.380 649 × 10⁻²³ J/K (julios por kelvin)
La constante de Boltzmann es esencial en termodinámica estadística. Está relacionado con la unidad básica de julio por kelvin (J/K) en el SI, porque relaciona la energía térmica con la temperatura absoluta. El Kelvin es la unidad termodinámica de temperatura, mientras que el Joule es la unidad de energía. La precisión de Kelvin es de aproximadamente 2 × 10^(-8), o aproximadamente 20 microkelvins.
Manifestación/uso en biología y ecología:
Bioenergética y Metabolismo: La constante de Boltzmann relaciona la temperatura con la energía cinética de las moléculas. Las tasas de las reacciones bioquímicas (metabolismo) dependen exponencialmente de la temperatura (ecuación de Arrhenius), y k es un factor clave en esta relación. Esto explica:
– Por qué los organismos de sangre fría son más lentos a temperaturas bajas.
– Cómo el calentamiento global afecta las tasas metabólicas de los ecosistemas, el consumo de recursos y los ciclos biogeoquímicos.
Modelado de Distribución de Especies: Los modelos ecológicos que predicen cómo se distribuirán las especies con el cambio climático usan variables de temperatura, cuyo efecto en la fisiología está gobernado por principios termodinámicos donde k es fundamental.
El número de Avogadro (N_A)
¿Qué es? El número de entidades elementales (átomos, moléculas, iones, etc.) que hay en un mol de una sustancia. Es el contador de partículas a escala macro.
El número de Avogadro representa el número de entidades elementales (átomos o moléculas) en un mol de materia, lo cual es crucial para los cálculos en química y física de materiales. Entonces, un mol es una cantidad que contiene exactamente NA entidades elementales, ya sean átomos, iones, moléculas o partículas. La precisión relativa de este valor es de aproximadamente 2,5 × 10^(-8), lo que significa que NA se conoce con una incertidumbre de aproximadamente 15 partes por mil millones.
Define la unidad de cantidad de sustancia, el mol.
Valor definitorio: 6.022 140 76 × 10²³ mol⁻¹ (por mol)
Manifestación/uso en biología y ecología:
Biología Molecular Cuantitativa: El constante de Avogadro es la piedra angular de la cuantificación en el laboratorio.
PCR y Secuenciación: Cuando se prepara una reacción, se calcula la concentración de ADN en moles por litro (molaridad). Saber que un mol de moléculas de ADN contiene Nₐ moléculas permite calcular con precisión cuántas copias de un gen hay en una muestra.
Enzimología: La actividad de las enzimas se muele en unidades internacionales (U), donde una U es la cantidad de enzima que convierte un micromol (10⁻⁶ * Nₐ moléculas) de sustrato por minuto. Esto estandariza las mediciones en todo el mundo.
Isótopos Estables en Ecología: Para trazar el flujo de energía y nutrientes en las redes tróficas, se usan isótopos pesados (e.g., ¹³C, ¹⁵N). La proporción de estos isótopos se muele con espectrómetros de masas, y los cálculos para interpretar los datos dependen de las masas molares, definidas por Nₐ.
La eficacia luminosa de una radiación monocromática de frecuencia 540 × 10¹² Hz (K_cd)
¿Qué es? Es un factor que relaciona la potencia radiante (en vatios) con el flujo luminoso (en lúmenes) para una luz de color verde-amarillo específica a la que el ojo humano es más sensible. Convierte una medida física (energía) en una medida fisiológica (brillo percibido).
La intensidad de la luz espectral de la candela es exactamente igual a 683 lúmenes por vatio para una longitud de onda de 540 × 10^12 hercios (luz verde). Es un concepto fundamental en fotometría que nos permite cuantificar y comparar la percepción humana de la luz en diferentes longitudes de onda.
La incertidumbre relativa en la realización de la candela es actualmente de aproximadamente 2 × 10^(-8). Esto significa que el valor de la candela se conoce con una incertidumbre de aproximadamente 20 partes por mil millones.
Define la unidad de intensidad luminosa, la candela (cd).
Valor definitorio: 683 lm/W (lúmenes por vatio)
Manifestación/uso en biología y ecología:
Coevolución: Muchas plantas producen flores y frutos de colores amarillos y verdes brillantes para ser altamente visibles para polinizadores y dispersores de semillas (como primates y aves) cuya visión también es muy sensible en ese rango del espectro.
Camuflaje y Señales: La eficacia de la coloración críptica (camuflaje en la vegetación) y de las señales de advertencia (aposematismo) o cortejo depende de que el color del animal contraste o se funda con el fondo según la percepción espectral de sus depredadores o presas, para los cuales este rango de luz suele ser muy visible.
Limitación Antropocéntrica: La K_cd revela que nuestra medida de la luz es subjetiva. Otras especies (abejas que ven UV, aves tetracrómatas, serpientes que ven infrarrojo) tienen su propia «eficacia luminosa», lo que configura realidades ecológicas completamente diferentes basadas en su percepción única del mundo.
Referencias:
¿Qué son las constantes universales?
Las siete constantes fundamentales de la física | Astronoo
Analizando las constantes universales: los pilares de la realidad – Observando el Universo
