¿Cómo sabemos que las tasas de desintegración radiactiva son constantes durante miles de millones de años?

No es una respuesta a tu pregunta exacta, pero sigue estando 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 entendieron rápidamente cómo podían usar esto como una sonda muy precisa en secciones transversales de captura de neutrones tan atrás. De hecho, en 2006 se publicó un nuevo análisis de los datos [1] con uno de los autores de los artículos originales en los años 70. La idea es que la captura de neutrones aumenta mucho cuando la energía de los neutrones se acerca a la resonancia del núcleo de captura. Por lo tanto, incluso un ligero cambio de esas energías de resonancia habría resultado en un resultado radicalmente diferente (una mezcla diferente de compuestos químicos en el reactor).

Cabe señalar que el resultado más interesante desde el punto de vista de la física teórica es que este cambio de potencial puede relacionarse con un cambio de 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, AI Nazarov, MS Onegin, V. Yu. Petrov y EG Sakhnovsky, Reactor nuclear natural en oklo y variación de las constantes fundamentales: cálculo de la neutrónica de un núcleo fresco, Phys. Rev. C 74 (2006), 064610. https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.74.064610

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

Para las interacciones nucleares débiles y fuertes, la respuesta es más difícil o matizada. Para las interacciones fuertes, tenemos más de un ancla. Si las interacciones fuertes cambiaran su constante de acoplamiento, esto afectaría a la astrofísica estelar. Las estrellas en el universo distante serían considerablemente diferentes de lo que son hoy. Una vez más, las observaciones de estrellas distantes no indican un cambio tan drástico. Para interacciones débiles, las cosas son más difíciles.

Gran parte de la descomposición nuclear se produce por interacciones débiles y la producción de$\beta$radiación como electrones y positrones. Los creacionistas podrían argumentar que la tasa de interacciones débiles fue considerablemente mayor en el pasado reciente para dar la apariencia de más productos secundarios de lo que ocurre hoy. Esto entonces da la apariencia de una gran edad que no existe. El problema de la datación por carbono con el proceso de descomposición

$${}^{14}_ 6C~\rightarrow~ {}^{14}_7N~+~e^−+~\nu_e$$ 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 se ajusta a la idea de Bertrand Russell de una tetera que orbita alrededor de Júpiter.

Hay varias preguntas que uno tendría que responder, si quisiera afirmar que ha habido grandes cambios en las tasas de descomposición a lo largo del tiempo geológico. Esto es lo que creo que podría ser el mejor experimento para probar esta afirmación.

Sin usar evidencia radiológica, uno puede deducir que la Tierra tiene al menos mil millones de años contando las capas de sedimentación anuales y midiendo el espesor de los estratos rocosos, y correlacionando 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 por deducir la verdad. Los físicos afirmaron que el mundo no podía tener más de 50 millones de años, porque ningún proceso químico conocido podía mantener el sol caliente durante más tiempo. Los geólogos insistieron en al menosmil millones de años, y que si no era química, algo más debía estar alimentando al sol. Tenían razón. El Sol brilla por fusión nuclear entonces desconocida, no por química. Por cierto, es "al menos" porque es difícil encontrar rocas sedimentarias de más de mil millones de años, y esas rocas no contienen fósiles útiles. La actividad tectónica ha borrado la mayor parte de la evidencia de edades precámbricas... a excepción de los circones, pero me estoy adelantando.

Ahora, avance hasta hoy, cuando podemos hacer microanálisis isotópicos de uranio y plomo dentro de circón ( zirconiocristales de silicato). (Pase al siguiente párrafo si sabe acerca de los zirconios de datación por radio). El zircón tiene varias propiedades únicas. Un punto de fusión extremadamente alto. Dureza extrema, mayor que el cuarzo. Alta densidad. Omnipresencia (el circonio en la roca fundida siempre cristaliza en circonitas a medida que se enfría la masa fundida, antes de que cualquier otro mineral cristalice). Y lo más importante, una estructura cristalina muy compacta, que no puede acomodar la mayoría de los otros 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 solidifica a partir de una fusión. Ese uranio viene en dos isótopos con diferentes tiempos de descomposición, y cada cadena de descomposición termina con un isótopo de plomo diferente. Al medir las concentraciones relativas de dos isótopos de plomo y dos de uranio en un circón, puede deducir el tiempo transcurrido desde que se formó usando 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. Es mejor si la roca ígnea es una que se formó a gran profundidad, donde todos los circones preexistentes se habrían disuelto nuevamente en el fundido. La presencia de minerales metaestables a alta presión como el diamante o el olivino nos permitiría deducir esto, y el hecho de que todos los circones tengan las mismas proporciones de uranio a plomo confirmaría la deducción. De lo contrario, uno esperaría encontrar una mezcla de circonitas jóvenes y viejas. Elija el más joven, que habría cristalizado en el momento de la intrusión, en lugar de haber sido reciclado por la actividad tectónica de un tiempo más antiguo. (Que en muchos casos es la solidificación primigenia de la corteza terrestre, y la mejor estimación de la edad de nuestro planeta, pero eso'

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 durante el tiempo geológico profundo, habrá un desacuerdo entre estas dos edades estimadas. Además, el desacuerdo será diferente para intrusiones de diferentes edades (a juzgar por la geología victoriana), pero consistente para intrusiones de edad similar en diferentes lugares.

Busque ubicaciones donde 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 defensor serio de la desintegración radiactiva variable en el tiempo necesita investigar esto. Si nadie ha buscado, salga al campo, encuentre esas discrepancias y publíquelas. Podría conducir a un premio Nobel si tiene razón. Ciertamente, él tiene la responsabilidad de hacer esto, porque de lo contrario, la navaja de Occam se aplica a esta teoría.

Volviendo a la física, haría otra pregunta, si esta observación no logra descubrir una fuerte evidencia de que las tasas de desintegración radiactiva varían con el tiempo. Es esto. ¿Cómo es que el$^{238}$tu y$^{235}$U "relojes" en circonitas siempre de acuerdo? La desintegración radiactiva es básicamente un túnel cuántico a través de una barrera potencial. La vida media depende exponencialmente de la altura de la barrera. Cualquier variación de tiempo propuesta, significaría que la altura de esta barrera varió en el tiempo profundo, de tal manera que la tasa relativa de$^{235}$tu y$^{238}$U decaimiento no cambia . Lo cual es una gran pregunta para cualquier teoría de este tipo, dada la sensibilidad exponencial a los cambios.

El punto básico aquí es que no "sabemos" nada sobre "el mundo real". Todo lo que tenemos es un modelo del mundo, y alguna medida de qué tan bien el modelo coincide con lo que observamos.

Por supuesto, puede construir un modelo completamente 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 los humanos no pueden entender". Pero como escribió Newton en Principia en la sección donde establece sus "reglas para hacer ciencia", la hipótesis non fingo : no invente teorías solo por inventarlas.

En realidad, uno de los ejemplos de Newton para ilustrar ese punto estaba espectacularmente equivocado: usó 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 necesitaba una hipótesis diferente sobre el sol para explicar lo que se sabía sobre él.

Entonces, la situación entre tú y tu amigo es en realidad al revés. Usted (y todos los físicos convencionales) tiene un modelo del universo que supone que estas constantes no cambian con el tiempo y encaja muy bien con las observaciones experimentales. Si su amigo quiere afirmar que sí ha cambiado, tiene la responsabilidad de encontrar algunos hechos observables que no puedan explicarse de ninguna otra manera, y también de demostrar que su nueva hipótesis no falla. las explicaciones de cualquier otra cosa.

Como han dicho algunos de los comentarios, si comienza a jugar con los valores de las constantes fundamentales en el modelo estándar de física de partículas, es probable que cree un modelo alternativo del universo que no coincida con las observaciones en un gran escala - no sólo por la datación de unos pocos fósiles terrestres.

El enfoque del "panorama general" es de vital importancia aquí. Ciertamente puede argumentar que encontrar un pez fósil en la cima de una alta montaña significa que debe haber habido una inundación global en algún momento de la historia, pero una vez que tenga un modelo global de tectónica de placas, no necesita considerar ese pez fosilizado como un caso especial nunca más!

Pensé en incluir algo sobre cómo varían las constantes de acoplamiento y las masas. Esto podría estar un poco fuera de tema, y ​​pensé en hacer una pregunta que me respondería a mí mismo. De todos modos aquí va.

Tenemos una serie de cantidades en el universo que están relacionadas entre sí por constantes fundamentales. Los dos primeros 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 consideraré absolutamente fundamental. Realmente está en unidades correctas un segundo luz por segundo o uno. La velocidad de la luz define conos de luz que son subespacios proyectivos del espacio-tiempo de Minkowski. El espacio-tiempo de Minkowski puede pensarse entonces como debido a una fibración sobre el espacio proyectivo dado por el cono de luz. La otra cantidad fundamental que relaciona propiedades físicas es la constante de Planck$h$o$\hbar~=~h/2\pi$. Esto se ve en$\vec p~-~\hbar\vec k$dónde$\vec k~=~\hat k/\lambda$. 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 se puede establecer de acuerdo con la métrica de Fubini-Study, que es una fibración de un espacio de Hilbert proyectivo 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 dado que el impulso es una 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 citada con más frecuencia 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 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 la renormalización que $e~\rightarrow~e)-~+~\delta e$es una corrección con $\delta e~\sim~1/\delta^2$, por $\delta~=~1/\Lambda$el corte en 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 a 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. Estas

Lo que está claro es que las constantes de acoplamiento de calibre varían con el impulso. No varían con el tiempo, lo que por$x~=~ct$o, de manera más general, los aumentos de Lorentz significan que si los campos de medición variaran con el tiempo, lo harían con la distancia espacial. Hasta el momento no hay observación y datos de tal variación de la radiación emitida desde el universo muy lejano.

¿Qué pasa con la gravedad y la masa? Tenemos renormalización masiva$m~\rightarrow~m~+~\delta m$. Esto puede significar que la masa de una partícula se puede volver a normalizar a una energía más alta, y más significa que los términos debidos a las contribuciones de energía del vacío que vuelven a normalizar la masa de una partícula desnuda deben sumarse y cancelarse para dar la masa que observamos. Una vez más, esto sucede con impulso. Para el campo de Higgs la autointeracción se debe a la$\lambda\phi^4$término, técnicamente esto significa que hay un término de renormalización masiva$\sim~\lambda/\delta^2$ $=~\lambda\Lambda$por$\delta$una pequeña región alrededor del punto para el$4$interacción puntual donde lo hemos untado en una pequeña bola o disco de radio$\delta$. También$\Lambda$es el momento de corte correspondiente. Tenemos una física similar para otros campos, aunque con los fermiones tenemos problemas de signos sutiles,

Usé el campo de Higgs porque creo que existe una relación profunda entre la gravitación y el campo de Higgs. Yo soy de este voy a calcular lo que creo que es el adecuado$\alpha_{grav}$. Podemos calcular la relación de la longitud de onda de Compton$\lambda~=~M_H/hc$y radio gravitacional$r~=~2GM_H/c^2$de una partícula de Higgs, con masa$m~=~125GeV$ $=~2.2\times 10^{-25}kg$. Esto significa

$$\alpha_g~=~\frac{4\pi GM_H^2}{\hbar c}~=~\left(\frac{4\pi M_H}{M_p}\right)^2~=~1.3\times 10^{-33},$$ dónde $M_p$es la masa de Planck. Esta constante se conecta luego a la masa de todas las partículas elementales. La renormalización a de la masa de Higgs determina la masa de todas las demás partículas.

Entonces no hay indicación de que haya alguna variación de masas de partículas o constantes de acoplamiento que dependan del tiempo. Todos dependen de los momentos, y la gran cantidad 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.