¿Cómo sabemos que las tasas de desintegración radiactiva son constantes a lo largo de miles de millones de años?

Question

Un amigo y yo discutimos recientemente la idea de que las tasas de desintegración radiactiva son constantes a lo largo de los tiempos geológicos, algo en lo que se basan los métodos de datación.

Un gran número de experimentos parece haber demostrado que la tasa de desintegración no se ve influida en gran medida por el entorno (temperatura, actividad solar, etc.). Pero, ¿cómo sabemos que las tasas de desintegración son constantes a lo largo de miles de millones de años? ¿Y si alguna propiedad del universo ha permanecido igual durante los cien años transcurridos desde que se descubrió y midió la radiactividad, pero era diferente hace mil millones de años?

En la página de Wikipedia sobre la desintegración radiactiva hay una afirmación sin fundamento que dice

Observaciones [A]strofísicas del decaimiento de la luminosidad de las supernovas lejanas (que se produjeron muy lejos, por lo que la luz ha tardado mucho mucho tiempo en llegar a nosotros) indican fuertemente que las tasas de desintegración no perturbadas han sido constantes.

¿Es esto cierto?

Me interesa verificar la constancia de las tasas de desintegración durante periodos de tiempo muy largos (millones y miles de millones de años). En concreto, no me interesa la datación por radiocarbono ni otros métodos para datar cosas en el rango de los miles de años. Las fechas de radiocarbono, utilizadas para datar material orgánico de menos de 50.000 años, son calibrado y cruzado con datos no radiactivos como los anillos de los árboles de árboles milenarios y depósitos anuales igualmente contabilizables en varves un método de verificación que me parece convincente y que aquí no cuestiono.

Answer 1

No es una respuesta a tu pregunta exacta, pero está tan relacionada que creo que merece ser mencionada: el reactor nuclear natural de Oklo, descubierto en 1972 en Gabón (África Occidental). Allí se produjeron reacciones de fisión nuclear autosostenidas hace 1.800 millones de años. Los físicos comprendieron rápidamente que podían utilizarlo como una sonda muy precisa de las secciones transversales de captura de neutrones tan lejanas. De hecho, en 2006 se publicó un nuevo análisis de los datos [1] en el que participó uno de los autores de los artículos originales de los años 70. La idea es que la captura de neutrones aumenta considerablemente cuando la energía de los neutrones se acerca a una resonancia del núcleo de captura. Por lo tanto, incluso un ligero desplazamiento de esas energías de resonancia habría dado lugar a un resultado dramáticamente diferente (una mezcla diferente de compuestos químicos en el reactor). La conclusión del artículo es que esas resonancias no cambiaron en más de 0,1 eV.

Cabe destacar que el resultado más interesante desde el punto de vista de la física teórica es que este desplazamiento de potencial puede relacionarse con un cambio potencial de la constante de estructura fina $\alpha$ . El documento concluye que

$$5.6 \times 10^{8} < \frac{\delta\alpha}{\alpha} < 6.6 \times 10^{8}$$

[1] Yu. V. Petrov, A. I. Nazarov, M. S. Onegin, V. Yu. Petrov, y E. G. Sakhnovsky, Natural nuclear reactor at oklo and variation of fundamental constants: computation of neutronics of a fresh core, Phys. Rev. C 74 (2006), 064610. https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.74.064610

Answer 2

El comentario que hace Samuel Weir sobre la constante de estructura fina se acerca bastante a una respuesta. Para las transiciones electromagnéticas del núcleo, éstas cambiarían si la constante de estructura fina cambiara con el tiempo. Sin embargo, los datos espectrales de las fuentes lejanas no indican tal cambio. Las transiciones atómicas cambiarían sus energías y observaríamos fotones de galaxias lejanas con líneas espectrales diferentes.

Para las interacciones nucleares débiles y fuertes, la respuesta es más difícil o matizada. En el caso de las interacciones fuertes, tenemos más bien un anclaje. Si las interacciones fuertes cambiaran su constante de acoplamiento, esto tendría un impacto en la astrofísica estelar. Las estrellas del universo lejano serían considerablemente diferentes a las actuales. De nuevo, las observaciones de las estrellas lejanas no indican un cambio tan drástico. Para las interacciones débiles, las cosas son más difíciles.

Gran parte de la desintegración nuclear es por interacciones débiles y la producción de $\beta$ radiación como electrones y positrones. Los creacionistas podrían argumentar que la tasa de interacciones débiles era considerablemente mayor en el pasado reciente para dar la apariencia de más productos hijos que lo que ocurre hoy en día. Esto da la apariencia de una gran edad que no existe. El problema de la datación del carbono con el proceso de desintegración $$ {}^{14}_ 6C~\rightarrow~ {}^{14}_7N~+~e^+~\nu_e $$ es que si esto ha cambiado en los últimos $6000$ años, un tiempo favorito para los creacionistas, esto significaría que habría desviaciones entre los métodos de datación por carbono y el registro histórico.

Nada de esto es realmente una prueba, pero coincide con la idea de Bertrand Russell de una tetera orbitando alrededor de Júpiter.

Answer 3

Hay varias preguntas a las que habría que responder, si se quiere afirmar que ha habido grande cambios en las tasas de descomposición a lo largo del tiempo geológico. Aquí está lo que creo que podría ser el mejor experimento para probar esta afirmación.

Sin recurrir a las pruebas radiológicas, se puede deducir que la Tierra tiene al menos mil millones de años de antigüedad contando las capas de sedimentación anuales y midiendo los espesores de los estratos rocosos, y haciendo una correlación cruzada entre ellos por la presencia de especies fósiles idénticas o casi idénticas. Esto es lo que hicieron los geólogos victorianos, lo que llevó al único caso que conozco en el que la geología venció a la física para deducir la verdad. Los físicos afirmaban que el mundo no podía ser mucho más antiguo que 50 millones de años, porque ningún proceso químico conocido podía mantener el calor del sol durante más tiempo. Los geólogos insistieron en al menos mil millones de años, y que si no era la química, algo más debía estar impulsando al sol. Tenían razón. El Sol brilla por una fusión nuclear entonces desconocida, no por la química. Por cierto, es "al menos" porque es difícil encontrar rocas sedimentarias de más de mil millones de años, y tales rocas no contienen fósiles útiles. La actividad tectónica ha borrado la mayoría de las evidencias de edades anteriores al Cámbrico... excepto los circones, pero me estoy adelantando.

Ahora, salta a la actualidad, cuando podemos hacer microanálisis isotópicos de uranio y plomo dentro zircón ( zirconio silicato) cristales. (Pase al siguiente párrafo si conoce los circones radiodatados.) El circón tiene varias propiedades únicas. Un punto de fusión extremadamente alto. Dureza extrema, mayor que la del cuarzo. Alta densidad. Omnipresencia (el zirconio en la roca fundida siempre cristaliza en zircones al enfriarse la masa fundida, antes de que cristalice cualquier otro mineral). Y lo que es más importante, una estructura cristalina muy ajustada, que no puede dar cabida a la mayoría de los demás elementos como impurezas en la formación. La principal excepción es el uranio. La única forma en que el plomo puede entrar en un cristal de circón es si comenzó como uranio, que se descompone en plomo después de que el cristal se haya solidificado a partir de una fusión. Ese uranio viene en dos isótopos con diferentes tiempos de decaimiento, y cada cadena de decaimiento termina con un isótopo de plomo diferente. Midiendo las concentraciones relativas de dos isótopos de plomo y dos de uranio en un circón, se puede deducir el tiempo transcurrido desde que se formó utilizando dos "relojes" diferentes. Estos circones suelen tener el tamaño de granos de arena, por lo que una muestra de roca contendrá millones de "relojes" independientes que permitirán un buen análisis estadístico.

Entonces, encontremos algunos circones en una intrusión ígnea en una roca sedimentaria cuya edad conocemos, aproximadamente, por la geología victoriana. Lo mejor es que la roca ígnea se haya formado a gran profundidad, donde todos los circones preexistentes se habrían disuelto en el fundido. La presencia de minerales metaestables a alta presión, como el diamante o el olivino, nos permitiría deducirlo, y el hecho de que todos los circones tengan la misma proporción de uranio y plomo confirmaría la deducción. De lo contrario, se esperaría encontrar una mezcla de circones jóvenes y antiguos. Elegir los más jóvenes, que habrían cristalizado en el momento de la intrusión, en lugar de haber sido reciclados por la actividad tectónica de una época más antigua. (Que en muchos casos es la solidificación primaeval de la corteza terrestre, y la mejor estimación de la edad de nuestro planeta, pero eso no es relevante aquí).

Ahora, compare la edad deducida por la desintegración radiactiva, con la edad menos precisa de la geología victoriana. Si la tasa de desintegración radiactiva ha cambiado mucho a lo largo del tiempo geológico, habrá un desacuerdo entre estas dos edades estimadas. Además, el desacuerdo será diferente para intrusiones de diferentes edades (según la geología victoriana), pero consistente para intrusiones de edad similar en diferentes lugares.

Busque lugares en los que haya una roca sedimentaria con intrusión, cubierta por una roca sedimentaria más joven sin intrusión, lo que significa que se puede deducir que la edad de la intrusión está entre la de los dos estratos sedimentarios. Cuanto más cercana sea la edad de los dos estratos sedimentarios, mejor.

No sé si esto se ha hecho (ciertamente espero que sí). Cualquier partidario serio de la desintegración radiactiva que varía con el tiempo, necesita investigar esto. Si nadie ha investigado, salgan al campo, encuentren esas discrepancias y publiquen. Si está en lo cierto, podría recibir un premio Nobel. La responsabilidad de hacerlo recae en él, porque de lo contrario la navaja de Occam se aplica a esta teoría.

Volviendo a la física, yo haría otra pregunta, si esta observación no descubre pruebas sólidas de que las tasas de desintegración radiactiva hacer varían con el tiempo. Es esto. ¿Cómo es que el $^{238}$ U y $^{235}$ ¿Los "relojes" de U en los circones siempre coinciden? La desintegración radiactiva es básicamente un túnel cuántico a través de una barrera de potencial. La vida media depende de forma exponencial en la altura de la barrera. Cualquier variación de tiempo propuesta, significaría que la altura de esta barrera varió en tiempo profundo, de tal manera que la tasa relativa de $^{235}$ U y $^{238}$ La descomposición de U no cambia . Lo cual es una gran exigencia para cualquier teoría de este tipo, dada la sensibilidad exponencial a los cambios.

Answer 4

El punto básico aquí es que no "sabemos" cualquier cosa sobre "el mundo real". Todo lo que tenemos es un modelo del mundo, y alguna medida de lo bien que se ajusta el modelo a lo que observamos.

Por supuesto, se puede construir un modelo totalmente consistente que diga "una entidad invisible e inobservable creó todo lo que he observado un segundo antes de que yo naciera, y lo hizo parecer mucho más antiguo por razones que no pueden ser comprendidas por los humanos". Pero como escribió Newton en Principia en la sección en la que expone sus "reglas para hacer ciencia". hipótesis non fingo - no se inventan teorías por el mero hecho de inventarlas.

En realidad, uno de los ejemplos que Newton dio para ilustrar ese punto fue espectacularmente erróneo - utilizó su principio general para concluir que el sol emite luz y calor por las mismas reacciones químicas que un fuego de carbón en la tierra - pero ese no es el punto: dado el limitado conocimiento experimental que tenía, no lo hizo necesito una hipótesis diferente sobre el sol para explicar lo que se sabía de él.

Por lo tanto, la situación entre usted y su amigo es, en realidad, al revés. Usted (y todos los físicos convencionales) tienen un modelo del universo que supone estas constantes no cambiar con el tiempo, y se ajusta muy bien a las observaciones experimentales. Si su amigo quiere afirmar que hacer Si se cambia, la responsabilidad es encontrar algún hecho observable que no pueda explicarse de otra manera, y también demostrar que su nueva hipótesis no estropea las explicaciones de todo lo demás.

Como se ha dicho en algunos comentarios, si se empieza a juguetear con los valores de las constantes fundamentales del Modelo Estándar de la física de partículas, es probable que se cree un modelo alternativo del universo que no coincide con las observaciones a muy gran escala, y no sólo con la datación de unos pocos fósiles terrestres.

El enfoque "global" es muy importante en este caso. Ciertamente se puede argumentar que encontrar un pez fósil en la cima de una montaña alta significa que debe haber habido una inundación global en algún momento de la historia - pero una vez que se tiene una global modelo de tectónica de placas, ¡ya no es necesario considerar ese pez fósil como un caso especial!

Answer 5

He pensado en incluir algo sobre cómo varían las constantes de acoplamiento y las masas. Esto puede ser un poco fuera de tema, y pensé en hacer una pregunta que yo mismo respondería. De todos modos aquí va.

Tenemos una serie de magnitudes en el universo que están relacionadas entre sí por medio de constantes fundamentales. Las dos primeras son el tiempo y el espacio, que están relacionados entre sí por la velocidad de la luz $x~=~ct$ . La velocidad de la luz es algo que considero absolutamente fundamental. Realmente es en unidades correctas un segundo luz por segundo o uno. La velocidad de la luz define conos de luz que son subespacios proyectivos del espaciotiempo de Minkowski. El espaciotiempo de Minkowski puede considerarse entonces como debido a una fibración sobre el espacio proyectivo dado por el cono de luz. La otra cantidad fundamental que relaciona las propiedades físicas es la constante de Planck $h$ o $\hbar~=~h/2\pi$ . Esto se ve en $\vec p~-~\hbar\vec k$ donde $\vec k~=~\hat k/\lambda$ . Esto relaciona el momento y la longitud de onda, y también se ve en el principio de incertidumbre $\Delta p\Delta x~\ge~\hbar/2$ . El principio de incertidumbre puede enunciarse según la métrica de Fubini-Study, que es una fibración de un espacio proyectivo de Hilbert a un espacio de Hilbert. Estos dos sistemas comparten una estructura notablemente similar cuando se ven de esta manera. Entonces diré como postulado que $c$ y $\hbar$ son absolutamente constantes, y como el momento es la longitud recíproca entonces en unidades naturales la constante de Planck es longitud por longitud y no tiene unidades.

Hay otras constantes en la naturaleza, como la carga eléctrica. La constante importante más citada es la constante de estructura fina $$ \alpha~=~\frac{e^2}{4\pi\epsilon\hbar c}~\simeq~1/137. $$ Esta constante es absolutamente sin unidades. En cualquier sistema de unidades no tiene unidades. En los sistemas naturales de unidades tenemos que $ e^2/4\pi\epsilon$ tiene las unidades de $\hbar c$ que en unidades MKS es $j-m$ . Sin embargo, sabemos por renormalización que $e~\rightarrow~e)-~+~\delta e$ es una corrección con $\delta e~\sim~1/\delta^2$ , para $\delta~=~1/\Lambda$ el corte en la escala espacial para un propagador o la evaluación de un diagrama de Feynman. Esto significa que la constante de estructura fina puede cambiar con la energía de dispersión, y en las energías TeV del LHB $\alpha'~\sim~1/127$ . Tenemos, por supuesto, las interacciones fuertes y débiles y podemos afirmar que hay constantes de acoplamiento $e_s$ y $e_w$ y los análogos de las constantes dieléctricas $\epsilon_w$ y $\epsilon_w$ por lo que existen las constantes de estructura fina $$ \alpha_s~=~\frac{e_s^2}{4\pi\epsilon_s\hbar c}~\simeq~1,~\alpha_w~=~\frac{e_w^2}{4\pi\epsilon_w\hbar c}~\simeq~10^{-5}. $$ La mayoría de las veces estas constantes de acoplamiento son $g_s$ y $g_w$ . Estos dos tienen renormalizaciones $g_s~=~g^0_s~+~\delta g_s$ y $g_w~=~g^0_w~+~\delta g_w$ esto se encuentra con el problema de la jerarquía y cómo varían las constantes de acoplamiento. Estos

Lo que está claro es que las constantes de acoplamiento gauge varían con el momento. No varían con el tiempo, que por $x~=~ct$ o, más generalmente, los impulsos de Lorentz significan que si los campos gauge variaran con el tiempo, lo harían con la distancia espacial. Hasta ahora no hay observaciones ni datos de tal variación en la radiación emitida por el universo muy lejano.

¿Qué pasa con la gravitación y la masa? Tenemos la renormalización de la masa $m~\rightarrow~m~+~\delta m$ . Esto puede significar que la masa de una partícula puede renormalizarse a mayor energía, y más significa que los términos debidos a las contribuciones de la energía del vacío que renormalizan la masa de una partícula desnuda deben sumarse y cancelarse para dar la masa que observamos. De nuevo esto ocurre con el momento. Para el campo de Higgs la autointeracción se debe a la $\lambda\phi^4$ Técnicamente esto significa que hay un término de renormalización de la masa $\sim~\lambda/\delta^2$ $=~\lambda\Lambda$ para $\delta$ una pequeña región alrededor del punto para el $4$ interacción puntual en la que la hemos untado en una pequeña bola o disco de radio $\delta$ . También $\Lambda$ es el corte de momento correspondiente. Tenemos una física similar para otros campos, aunque con los fermiones tenemos sutiles problemas de signo,

Utilicé el campo de Higgs porque creo que hay una profunda relación entre la gravitación y el campo de Higgs. A partir de esto voy a calcular lo que creo que es el $\alpha_{grav}$ . Podemos calcular la relación de la longitud de onda Compton $\lambda~=~M_H/hc$ y el radio gravitacional $r~=~2GM_H/c^2$ de una partícula de Higgs, con masa $m~=~125GeV$ $=~2.2\times 10^{-25}kg$ . Esto significa que $$ \alpha_g~=~\frac{4\pi GM_H^2}{\hbar c}~=~\left(\frac{4\pi M_H}{M_p}\right)^2~=~1.3\times 10^{-33}, $$ donde $M_p$ es la masa de Planck. Esta constante se relaciona entonces con la masa de todas las partículas elementales. La renormalización a de la masa del Higgs determina la masa de todas las demás partículas.

No hay entonces ningún indicio de que exista una variación de las masas de las partículas o de las constantes de acoplamiento que dependan del tiempo. Todas dependen de los momentos, y el gran número de términos del diagrama de Feynman en varios órdenes se suman y cancelan para dar las masas observadas. Con la supersimetría esto se simplifica un poco con la cancelación de muchos diagramas.