Todos conocemos las medidas básicas de medición, el segundo para el tiempo, el gramo, las libras u onzas como medida de masa y demás, pero cuales son las medidas más básicas del universo?
Primero que nada vamos a ver cuales son y como están definidas exactamente nuestras medidas básicas estándar, las cuales son establecidas por el Sistema Internacional de unidades (S.I).
Unidades Básicas:
Las unidades básicas o fundamentales son aquellas de las cuales se definen todas las demás unidades físicas, como analogía podríamos decir que son como los colores primarios de las unidades de la física.
Gramo: dentro del S.I es el gramo el cual se usa para medir lo que conocemos como masa, osea la cantidad de materia por la que se compone algo, esta esta definida mediante un Kilogramo Patrón. Este es una aleación de platino e iridio la cual se encuentra guardada cuidadosamente en la Oficina Internacional de Pesas y Medidas.
Siendo que es la única medida física que aun se define por un objeto del mundo real y no por una característica física de carácter fundamental esta podría cambiar su masa si no se guarda en estrictas condiciones y esto cambiaría por completo la definición de gramo que tenemos ya que este objeto es el usado para definir la forma de medición de balanzas y demás elementos que usen el gramo como medida, en la imagen podemos ver el rigor con el cual es resguardado este objeto.
Metro: el metro como ya todos sabemos es una medida de distancias, como dijimos arriba el Kg es el único que cuenta actualmente con un objeto tangible como definición, pero eso no siempre fue así, pues el metro tuvo 2 definiciones antes de la actual, se definió como la diezmillonésima parte de la linea imaginaria que separa al polo norte de la linea del ecuador, lo cual no es un objeto tangible pero tampoco es una característica fundamental de la física. Por segunda definición se le atribuyo un objeto tangible al igual que al Kilogramo, siendo al igual que en este una aleación de platino e iridio, el cual se ve en la imagen. Finalmente y hasta la actualidad el metro esta definido como 1650763,73 veces la longitud de onda en el vacío de la radiación naranja del átomo del criptón 86, lo cual es una medida invariante ya que al hablar de átomos y longitudes de onda estas siempre miden igual y también teniendo 50 veces mas precisión que la definición anterior.
«9.192.631.770 oscilaciones de la radiación emitida en la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del isotopo 133 del átomo de cesio, siendo su temperatura el cero absoluto (la temperatura más baja posible en el universo).»
Quizás una definición algo complicada de entender para varios, pero es esta la que actualmente rige lo que conocemos como segundo.
Amperio: el amperio se usa para medir la intensidad de corriente y su definición actual esta definido mediante la siguiente frase:
«Un amperio es la corriente constante que, mantenida en dos conductores rectos paralelos de longitud infinita, de sección circular despreciable, y colocados a un metro de distancia en el vacío, produciría entre estos conductores una fuerza igual a 2 x 10–7 newton por metro de longitud.»
Temperatura: todos sabemos que es la que nos hace sentir lo que llamamos calor y frió, como también la que cambia los estados de ciertos materiales, sin embargo, que es realmente la temperatura? Esta se define como la energía interna dentro de un sistema termodinámico, quizás suene complicado para algunos, pero de forma más simple podemos decir que es la cantidad de movimiento que hay en las partículas, a mayor movimiento y velocidad tengan las partículas dentro de un cuerpo, más alta sera la temperatura se este.
Ahora sabiendo que es la temperatura, veremos cual es la unidad que se usa para esta, y como esta definida. Muchos pensaran son los conocidos grados Celsius, sin embargo, no lo son, los grados estándar según el S.I son los Kelvin.
Este esta definido como los valores anteriores mediante características físicas que sean invariantes, siendo su definición \( \frac{1}{273,16} \) partes de la temperatura del punto triple del agua (el cual es una combinación de temperatura y presión atmosféricas especiales).
Luego de estas medidas también tenemos el mol y la candela, las cuales definen cantidad de sustancia e intensidad luminosa respectivamente, pero no las definiremos ya que no son relevantes para el tema que trataremos ahora.
Medidas del universo:
ya vimos las medidas que nosotros, los humanos, tenemos declaradas como fundamentales, pero estas están hechas en su mayoría a medida del hombre, porque se sabe bien el universo es colosalmente enorme, y no solo eso, sino que también nosotros somos gigantescos en comparación al mundo atómico, aquí es cuando llega la pregunta: cuales son las medidas fundamentales para el universo?
Para responder a esto veremos lo que se llaman «Las unidades de Planck» nombradas así debido a que fue Max Plack quien las propuso, estas medidas vendrían siendo las unidades básicas del universo, y debido a esto son microscópicas en su mayoría, ya que la base del universo proviene del mundo subatómico.
Constantes de Planck:
- c : la velocidad de la luz en el vació (299 792 458 m/s), siendo la velocidad máxima, por lo cual es imposible para cualquier objeto moverse mas rápido que esta.
- G : constante de gravitación universal, determina la intensidad de la fuerza gravitatoria.
- ħ : constante reducida de Planck, la cual es una constante que desempeña un gran papel en las teoría de la mecánica cuántica, aquí al estar hablando de medidas fundamentales que están a nivel cuántico, esta constante tiene un papel importante aquí.
- C : representaremos así a la constante de fuerza de Coulomb, la cual determina la intensidad de las fuerzas entre cargas eléctricas.
- k : Constante de Boltzmann, la cual relaciona la temperatura con energía.
Unidades de Plank:
Masa de Plank (Mp): esta es la unidad mínima de materia que se puede medir, se define de la siguiente manera:
\[ \color{red}{Mp} = \sqrt[]{\frac{ħc}{c^3}} \]
Lo que en el sistema internacional de unidades seria 2,17 × 10−8 Kg o 21 microgramos, siendo un microgramo la mil millonesima parte de un gramo.
Tiempo de Plank (tp): siendo el intervalo de tiempo mínimo que puede ser medido, siendo análogo un fotograma en un vídeo, en donde el vídeo seria nuestro universo y los fotogramas estarían separados por tiempos de Plank.
Su formula es la siguiente:
\[ \color{green}{tp} = \sqrt{\frac{ħG}{c^5}} \]
esto en medidas estándar seria el equivalente a 5,39 × 10-44 segundos, un instante de tiempo inimaginable mente minúsculo.
Longitud de Plank (ℓp): similar al caso anterior esta es la menor longitud capaz de ser medida, pero relativa a la longitud, debido que que tratar una longitud menor a esta no es posible con los modelos actuales de la física. De la misma forma que con el Tiempo de Plank podría verse una analogía con lo que es un Píxel en una fotografía, de hecho estan relacionadas, ya que la longitud de Plank es igual a la velocidad de la luz (c) multiplicada por el tp.
\[ \color{purple}{ℓp} = \sqrt{\frac{ħG}{c^3}} = c \text{ x }\color{green}{tp} \]
lo que en las medidas que conocemos sería 1,61 × 10-35 metros. Siendo medidas tan pequeñas que el espacio mismo no se consideraría como algo continuo sino que se cree podría tener comportamientos probabilistas cuánticos.
Carga de Planck (qP): esta seria el equivalente a los amperios pero a nivel microscópico, esta es la carga eléctrica mínima que existe dentro d de nuestro universo.
\[ \color{blue}{qP} = \sqrt{ħc4\pi\epsilon_0} \]
en la unidades de Culombios esto seria 1,87 × 10-35 de estos, siendo esta carga aproximadamente 11 mil veces mas que la de un electrón.
Temperatura de Plank (Tp): antes de ver esta debemos recordar que la temperatura es la cantidad de movimiento dentro de las partículas dentro de un cuerpo, por ende si nos ponemos a pensar nos daremos cuenta que existe una temperatura mínima y una temperatura máxima, ya que cuando estas no se muevan sera la mínima posible y sera su máximo cuando ya no puedan moverse mas rápido debido al limite de velocidad establecido por el universo (la velocidad de la luz).
El cero absoluto: esta es la mínima temperatura que existe dentro del universo, y es como acabamos de decir antes cuando el movimiento dentro de un cuerpo es 0. En grados Celsius esto serian -273,15 °C, y en los grados estándar Kelvin serian 0 de estos.
Ahora si ya que vimos la contra parte de la temperatura de Plank pasemos a ver la definición de la temperatura más alta que puede existir en nuestro universo:
\[ \color{orange}{Tp} = \sqrt{\frac{ħc^5}{Gk^2}} = \frac{\color{red}{Mp}c^2}{k} \]
esto en grados Kelvin sería 1,41 × 1032 y en los mayormente conocidos grados Celsius sería un resultado bastante aproximado al dado en Kelvins, ya que es la misma cantidad sumándole el numero 273,15 que a la hora de hablar de números tan grandes no hará prácticamente diferencia alguna.
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