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Costanti fisiche Grandezze di valore numerico costante, che descrivono proprietà intrinseche del mondo circostante. Specificano le proprietà fondamentali delle particelle elementari e delle forze fondamentali della natura: generalmente compaiono nelle formule delle leggi fisiche con un valore costante, che non dipende dal tempo e dal luogo in cui la legge viene scritta. Attualmente, i valori assegnati alle costanti fisiche, alcune tra le quali sono descritte nelle sezioni che seguono, possono essere determinati solo da operazioni di misurazione: non possono essere previste o spiegate in base alle versioni correnti delle teorie della fisica teorica.

Le costanti fondamentali si suddividono in quattro classi: la prima classe include le proprietà fondamentali delle particelle elementari, la seconda classe contiene le costanti che determinano l'intensità delle quattro interazioni fondamentali, la terza classe raggruppa le quantità fondamentali che compaiono nelle leggi della natura – velocità della luce, costante di Planck, ecc. – mentre nella quarta classe si raccolgono le costanti che caratterizzano la struttura dell'universo, quali la costante cosmologica o la curvatura dello spazio.

Diversi laboratori, tra i quali il National Physical Laboratory nel Regno Unito, hanno la responsabilità di determinare e classificare i valori delle costanti fondamentali: infatti il livello di accuratezza con cui tali valori sono determinati è sempre suscettibile di miglioramento. L'interesse dei fisici è proprio determinare il valore delle costanti con accuratezza sempre maggiore, in modo da verificare che questo si mantiene effettivamente costante, e di riuscire a stabile fra di esse una eventuale relazione.

2. MASSA A RIPOSO  
Valore della massa di una particella ferma o dotata di velocità non relativistica, ossia non confrontabile con la velocità della luce. Infatti, secondo la teoria della relatività ristretta di Einstein, la massa di una particella in moto a una velocità v è superiore a quella della particella a riposo, secondo la formula mv = m / (1 - v2/c2)1/2, dove m è la massa a riposo della particella, e c la velocità della luce. Per l'elettrone, me = 9,11 10-31 kg.

3. MAGNETONE DI BOHR  
Unità fondamentale del momento di dipolo magnetico di un atomo, dato da mb = e (h / 2) / 2me, dove e è la carica dell'elettrone, h è la costante di Planck, ed me la massa dell'elettrone. Il momento di dipolo magnetico è una grandezza vettoriale che esprime quantitativamente le proprietà magnetiche di un atomo dovute al moto orbitale degli elettroni intorno al nucleo. Il valore del magnetone di Bohr è mb = 9,27 10-24 J/T.

4. RAGGIO DELLA PRIMA ORBITA DI BOHR  
Nell'ambito del modello atomico di Bohr, esprime la distanza tra l'elettrone e il protone nell'atomo di idrogeno. Nell'atomo di Bohr gli elettroni ruotano intorno al nucleo su orbite circolari fisse, il cui raggio è dato dalla relazione rn = a0n2 / Z, dove a0 è il raggio di Bohr, n è il numero quantico principale, che indica l'ordine dell'orbita, e Z è il numero atomico. Tale formula segue dall'applicazione della condizione di quantizzazione del momento angolare, e risulta in accordo con i dati sperimentali per l'atomo di idrogeno e per gli altri atomi a un elettrone (quelli che possiedono un solo elettrone nell'orbita più esterna, e che quindi appartengono al gruppo I della tavola periodica degli elementi). Il modello di Bohr è stato superato da quello fornito dalla meccanica ondulatoria, ma il valore di a0 indica ancora la distanza media tra l'elettrone e il protone dell'atomo di idrogeno. Il valore del raggio della prima orbita di Bohr è a0 = 0,53 10-10 m.

5. COSTANTE DI GRAVITAZIONE UNIVERSALE  
Misurata per la prima volta dallo scienziato britannico Henry Cavendish nel 1798 con una bilancia di torsione, la costante di gravitazione universale viene comunemente indicata con la lettera G e vale G = 6,67 10-11 N m2/kg2.

La forza di attrazione gravitazionale che agisce tra due corpi di massa M ed m rispettivamente, posti a mutua distanza r, è data da F = G m M / r2. Vedi Gravitazione.

6. COSTANTE DIELETTRICA DEL VUOTO  Grandezza fisica che rende conto delle proprietà elettriche del vuoto. Essa compare nella formula della legge di Coulomb, che esprime l'intensità della forza elettrica agente tra due cariche Q e q poste a distanza r ed è espressa dalla relazione: F = (1 / 4p e0)(Q q / r 2). Per ogni mezzo materiale si definisce una costante dielettrica specifica, che è sempre maggiore di quella del vuoto. Il valore della costante dielettrica del vuoto è e0 = 8,85 10-12 F / m. Vedi anche Elettricità.

7. PERMEABILITÀ MAGNETICA DEL VUOTO  Costante fisica che rende conto delle proprietà magnetiche del vuoto. L'intensità del campo magnetico generato nel vuoto da una corrente elettrica I rettilinea e infinitamente estesa, a una distanza r da essa, è data ad esempio da B = (µ0/ 4 p) (I / r), dove µ0 è appunto la permeabilità magnetica del vuoto. Nel Sistema di unità di misura internazionale SI questa costante vale 12,56 10-7 H/m. Per ogni materiale si definisce una costante dielettrica specifica, che per alcune sostanze (materiali ferromagnetici) non ha valore precisamente costante, ma è funzione della corrente e della "storia magnetica" del materiale. Vedi anche Magnetismo.

8. COSTANTE DI BOLTZMANN  Indicata con la lettera k, prende nome dal fisico austriaco Ludwig Boltzmann e vale k = 1,38 10-23 J/K. È la costante di proporzionalità tra l'energia cinetica media Ec delle particelle di un gas e la temperatura assoluta T del gas stesso, nella relazione Ec = k T. Compare anche nell'equazione di stato dei gas perfetti: P V = N k T, dove P indica la pressione, V il volume, N il numero di molecole contenute nel volume di gas considerato, e T la sua temperatura assoluta. La stessa legge, espressa in funzione del numero di moli anziché del numero di molecole, assume la forma P V = n R T, dove n è il numero di moli, ed R è la costante dei gas perfetti, data dal prodotto della costante di Boltzmann per il numero di Avogadro. Vedi Leggi dei gas.

9. EQUIVALENTE MECCANICO DELLA CALORIA  Indicato usualmente con la lettera J, è il rapporto numerico costante tra le due grandezze fisiche omogenee calore e lavoro. In una qualunque trasformazione ciclica di un sistema termodinamico, il rapporto tra la quantità di calore Q e di lavoro L scambiati dal sistema con l'esterno è indipendente dal particolare tipo di sistema, e vale L/Q = J = 4,184 j/cal. COSTANTE DI PLANCK  Indicata con la lettera h, fu introdotta dal fisico tedesco Max Planck, da cui prende il nome, nell'ambito degli studi sulle deviazioni del comportamento della radiazione di corpo nero rispetto alle previsioni della fisica classica. Mentre quest'ultima interpretava la radiazione elettromagnetica come un insieme di onde (modello ondulatorio), Planck mostrò che, assumendo un modello corpuscolare, si ottenevano risultati teorici in accordo con i dati sperimentali. Secondo l'ipotesi di Planck, che è alla base di tutta la meccanica quantistica, l'energia trasportata dalla radiazione elettromagnetica è suddivisa in unità discrete, dette quanti, di valore proporzionale alla frequenza della radiazione. In simboli: E = hu, dove E è l'energia di un quanto, h è la costante di Planck, e u è la frequenza della radiazione. La prima misura soddisfacente della costante di Planck (1916) si deve al fisico statunitense Robert Millikan. Il valore attualmente riconosciuto per questa costante è h = 6,626 10-34 J s.

11. COSTANTE DI STEFAN-BOLTZMANN  Indicata con la lettera greca ë, compare nella legge di Stefan (un'equazione empirica formulata nel 1879 nell'ambito degli studi sulla radiazione di corpo nero) come costante di proporzionalità tra l'energia totale emessa per unità di tempo da una superficie unitaria di un corpo nero, e la quarta potenza della temperatura assoluta del corpo. In formule, E = ë T4. Il suo valore è ë = 5,67 10-8 W/ m2 K4.

12. VELOCITÀ DELLA LUCE  Si indica con la lettera c e rappresenta la velocità di propagazione della radiazione elettromagnetica nel vuoto; il suo valore costituisce il limite superiore delle velocità raggiungibili da qualunque corpo. La velocità della luce nel vuoto è un invariante relativistico: ossia la velocità di un corpo che viaggia alla velocità della luce è indipendente dal sistema di riferimento dal quale si osserva il moto. I primi esperimenti di laboratorio che permisero di determinare il valore di c con buona approssimazione furono quelli effettuati da Fizeau e da Foucault e risalgono alla metà del XIX secolo. Il valore della velocità della luce è c = 2,99 108 m/s.

13. IL SIGNIFICATO DELLE COSTANTI FONDAMENTALI  
I fisici sono convinti che una futura teoria fisica, capace di "unificare" le forze della natura (vedi Teoria del Tutto) riuscirà anche a prevedere e a dare una spiegazione dei valori delle costanti fondamentali. Per ora, quello che gli scienziati hanno accertato, è che un diverso insieme dei valori delle costanti fisiche della natura renderebbe impossibile la vita sul pianeta. I valori delle costanti fisiche determinano