Woher wissen wir, dass radioaktive Zerfallsraten über Milliarden von Jahren konstant sind?

Keine Antwort auf Ihre genaue Frage, aber dennoch so sehr verwandt, dass ich denke, dass es eine Erwähnung verdient: der natürliche Kernreaktor Oklo, der 1972 in Gabun (Westafrika) entdeckt wurde. Dort fanden vor 1,8 Milliarden Jahren selbsterhaltende Kernspaltungsreaktionen statt. Physiker verstanden schnell, wie sie dies als sehr präzise Sonde für so weit zurückliegende Neutroneneinfangquerschnitte verwenden konnten. Tatsächlich wurde 2006 eine erneute Analyse der Daten [1] veröffentlicht, die einen der Autoren der Originalarbeiten in den 70er Jahren enthält. Die Idee ist, dass der Neutroneneinfang stark verstärkt wird, wenn die Neutronenenergie in die Nähe einer Resonanz des einfangenden Kerns kommt. Somit hätte selbst eine geringfügige Verschiebung dieser Resonanzenergien zu einem dramatisch anderen Ergebnis geführt (eine andere Mischung chemischer Verbindungen im Reaktor).

Es sei darauf hingewiesen, dass das interessanteste Ergebnis aus Sicht der theoretischen Physik darin besteht, dass diese Potentialverschiebung mit einer Potentialänderung der Feinstrukturkonstante in Verbindung gebracht werden kann$\alpha$. Das Papier kommt zu dem Schluss

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

[1] Yu. V. Petrov, AI Nazarov, MS Onegin, V. Yu. Petrov und EG Sakhnovsky, Natürlicher Kernreaktor bei Oklo und Variation fundamentaler Konstanten: Berechnung der Neutronik eines frischen Kerns, Phys. Rev. C 74 (2006), 064610. https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.74.064610

Der Kommentar von Samuel Weir zur Feinstrukturkonstante kommt einer Antwort ziemlich nahe. Bei elektromagnetischen Übergängen des Kerns würden sich diese ändern, wenn sich die Feinstrukturkonstante mit der Zeit ändert. Spektraldaten von entfernten Quellen weisen jedoch auf keine solche Änderung hin. Die atomaren Übergänge würden ihre Energien ändern und wir würden Photonen aus fernen Galaxien mit unterschiedlichen Spektrallinien beobachten.

Für die schwachen und starken nuklearen Wechselwirkungen ist die Antwort schwieriger oder nuancierter. Für die starken Wechselwirkungen haben wir eher einen Anker. Wenn starke Wechselwirkungen ihre Kopplungskonstante ändern würden, würde dies Auswirkungen auf die stellare Astrophysik haben. Sterne im fernen Universum wären ganz anders als heute. Auch hier zeigen Beobachtungen entfernter Sterne keine solch drastische Veränderung. Bei schwachen Wechselwirkungen ist es schwieriger.

Ein Großteil des nuklearen Zerfalls erfolgt durch schwache Wechselwirkungen und die Produktion von$\beta$Strahlung als Elektronen und Positronen. Kreationisten könnten argumentieren, dass die Rate schwacher Wechselwirkungen in der jüngeren Vergangenheit erheblich größer war, um den Anschein von mehr Tochterprodukten zu erwecken, als dies heute der Fall ist. Das gibt dann den Anschein von hohem Alter, das nicht da ist. Das Problem bei der Kohlenstoffdatierung ist der Zerfallsprozess

$${}^{14}_ 6C~\rightarrow~ {}^{14}_7N~+~e^−+~\nu_e$$ ist das, wenn sich dies im letzten geändert hat $6000$Jahren, einer bevorzugten Zeit für Kreationisten, würde dies bedeuten, dass es Abweichungen zwischen Kohlenstoffdatierungsmethoden und historischen Aufzeichnungen geben würde.

Nichts davon ist wirklich ein Beweis, aber es passt zu Bertrand Russells Vorstellung einer Teekanne, die den Jupiter umkreist.

Es gibt verschiedene Fragen, die man beantworten müsste, wenn man behaupten wollte, dass es im Laufe der geologischen Zeit große Änderungen der Zerfallsraten gegeben habe. Hier ist das meiner Meinung nach beste Experiment, um diese Behauptung zu beweisen.

Ohne radiologische Beweise zu verwenden, kann man ableiten, dass die Erde mindestens eine Milliarde Jahre alt ist, indem man jährliche Sedimentationsschichten zählt und die Dicke von Gesteinsschichten misst und zwischen ihnen eine Kreuzkorrelation durch das Vorhandensein identischer oder nahezu identischer fossiler Arten durchführt. Dies haben viktorianische Geologen getan, was zu dem einzigen mir bekannten Fall geführt hat, in dem die Geologie die Physik bei der Ableitung der Wahrheit geschlagen hat. Die Physiker behaupteten, dass die Welt nicht viel älter als 50 Millionen Jahre sein könne, weil kein bekannter chemischer Prozess die Sonne länger heiß halten könne. Die Geologen bestanden zumindest daraufeine Milliarde Jahre, und dass, wenn es nicht Chemie war, etwas anderes die Sonne antreiben muss. Sie hatten Recht. Die Sonne scheint durch damals unbekannte Kernfusion, nicht durch Chemie. Übrigens ist es "mindestens", weil es schwierig ist, Sedimentgesteine ​​zu finden, die älter als eine Milliarde Jahre sind, und solche Gesteine ​​​​enthalten keine hilfreichen Fossilien. Tektonische Aktivität hat die meisten Beweise für das präkambrische Zeitalter ausgelöscht ... mit Ausnahme von Zirkonen, aber ich springe voraus.

Springen Sie jetzt nach vorne zum heutigen Tag, an dem wir eine Isotopen-Mikroanalyse von Uran und Blei im Inneren von Zirkon durchführen können ( ZirkoniumSilikat) Kristalle. (Fahren Sie mit dem nächsten Absatz fort, wenn Sie sich mit Radio-Dating-Zirkonen auskennen.) Zirkon hat mehrere einzigartige Eigenschaften. Ein extrem hoher Schmelzpunkt. Extreme Härte, größer als Quarz. Hohe Dichte. Allgegenwart (Zirkonium in geschmolzenem Gestein kristallisiert beim Abkühlen der Schmelze immer zu Zirkonen, bevor überhaupt andere Mineralien kristallisieren). Und am wichtigsten ist eine sehr enge Kristallstruktur, die die meisten anderen Elemente bei der Bildung nicht als Verunreinigungen aufnehmen kann. Die Hauptausnahme ist Uran. Blei kann nur in einen Zirkonkristall gelangen, wenn es als Uran begann, das zu Blei zerfällt, nachdem der Kristall aus einer Schmelze erstarrt ist. Dieses Uran kommt in zwei Isotopen mit unterschiedlichen Zerfallszeiten vor, und jede Zerfallskette endet mit einem anderen Bleiisotop. Indem Sie die relativen Konzentrationen von zwei Blei- und zwei Uranisotopen in einem Zirkon messen, können Sie die Zeit seit seiner Bildung anhand zweier verschiedener "Uhren" ableiten. Diese Zirkone haben normalerweise die Größe von Sandkörnern, sodass eine Gesteinsprobe Millionen unabhängiger „Uhren“ enthält, die eine gute statistische Analyse ermöglichen.

Lassen Sie uns also einige Zirkone in einem magmatischen Eindringen in ein Sedimentgestein finden, dessen Alter wir ungefähr durch die viktorianische Geologie kennen. Am besten ist es, wenn das Eruptivgestein in großer Tiefe entstanden ist, wo sich alle bereits vorhandenen Zirkone wieder in der Schmelze aufgelöst hätten. Das Vorhandensein von metastabilen Hochdruckmineralien wie Diamant oder Olivin würde es uns ermöglichen, dies abzuleiten, und die Tatsache, dass alle Zirkone das gleiche Verhältnis von Uran zu Blei aufweisen, würde die Ableitung bestätigen. Ansonsten würde man erwarten, eine Mischung aus jungen und älteren Zirkonen zu finden. Wählen Sie das Jüngste, das zum Zeitpunkt des Eindringens kristallisiert wäre, anstatt durch tektonische Aktivität aus einer älteren Zeit recycelt worden zu sein. (Was in vielen Fällen die urzeitliche Verfestigung der Erdkruste und die beste Schätzung des Alters unseres Planeten ist, aber das '

Vergleichen Sie nun das durch radioaktiven Zerfall abgeleitete Alter mit dem weniger genauen Alter aus der viktorianischen Geologie. Wenn sich die Rate des radioaktiven Zerfalls im Laufe der geologischen Tiefenzeit stark verändert hat, besteht eine Meinungsverschiedenheit zwischen diesen beiden geschätzten Altern. Darüber hinaus wird die Meinungsverschiedenheit für Intrusionen unterschiedlichen Alters (wie von der viktorianischen Geologie beurteilt) unterschiedlich sein, aber konsistent für Intrusionen ähnlichen Alters an unterschiedlichen Orten.

Suchen Sie nach Orten, an denen sich ein Sedimentgestein mit Intrusion befindet, das von einem jüngeren Sedimentgestein ohne Intrusion bedeckt ist, was bedeutet, dass das Alter der Intrusion zwischen dem der beiden Sedimentschichten liegen kann. Je näher das Alter der beiden Sedimentschichten, desto besser.

Ich weiß nicht, ob dies getan wurde (ich würde es jedenfalls hoffen). Jeder ernsthafte Befürworter des zeitlich veränderlichen radioaktiven Zerfalls muss dies untersuchen. Wenn niemand nachgesehen hat, gehen Sie ins Feld, finden Sie diese Diskrepanzen und veröffentlichen Sie sie. Es könnte zu einem Nobelpreis führen, wenn er recht hat. Die Pflicht dazu liegt sicherlich bei ihm, denn ansonsten gilt Occams Rasiermesser für diese Theorie.

Zurück zur Physik, ich würde eine andere Frage stellen, wenn diese Beobachtung keine starken Beweise dafür liefert, dass die radioaktiven Zerfallsraten mit der Zeit variieren. Es ist das. Wie kommt es, dass die$^{238}$U und$^{235}$U "Uhren" in Zirkonen sind immer einverstanden? Radioaktiver Zerfall ist im Grunde ein Quantentunneln über eine Potentialbarriere. Die Halbwertszeit hängt exponentiell von der Höhe der Barriere ab. Jede vorgeschlagene Zeitvariation würde bedeuten, dass die Höhe dieser Barriere in der Tiefenzeit so variiert , dass die relative Rate von$^{235}$U und$^{238}$Der U-Zerfall ändert sich nicht . Angesichts der exponentiellen Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen ist das eine große Herausforderung für jede solche Theorie.

Der grundlegende Punkt hier ist, dass wir nichts über die „wirkliche Welt“ „wissen“. Alles, was wir haben, ist ein Modell der Welt und ein gewisses Maß dafür, wie gut das Modell mit dem übereinstimmt, was wir beobachten.

Natürlich können Sie ein völlig konsistentes Modell konstruieren, das besagt: "Ein unsichtbares, nicht beobachtbares Wesen hat alles, was ich jemals beobachtet habe, eine Sekunde vor meiner Geburt erschaffen und es aus Gründen, die von Menschen nicht verstanden werden können, viel älter erscheinen lassen". Aber wie Newton in Principia in dem Abschnitt schrieb, in dem er seine „Regeln für das Betreiben von Wissenschaft“ formuliert, Hypothesen non fingo – erfinde keine Theorien, nur um sie zu erfinden.

Tatsächlich war eines der Beispiele, die Newton zur Veranschaulichung dieses Punktes gab, spektakulär falsch – er verwendete sein allgemeines Prinzip, um zu dem Schluss zu kommen, dass die Sonne Licht und Wärme durch dieselben chemischen Reaktionen wie ein Kohlefeuer auf der Erde abgibt – aber das ist nicht der Punkt: angesichts der begrenzten experimentellen Wissen, das er hatte, brauchte er keine andere Hypothese über die Sonne, um zu erklären, was über sie bekannt war.

Die Situation zwischen Ihnen und Ihrem Freund ist also genau umgekehrt. Sie (und alle konventionellen Physiker) haben ein Modell des Universums, das davon ausgeht, dass sich diese Konstanten im Laufe der Zeit nicht ändern, und es passt sehr gut zu experimentellen Beobachtungen. Wenn Ihr Freund behaupten möchte, dass er sich ändert, liegt es an ihm/ihr, einige beobachtbare Tatsachen zu finden, die auf keine andere Weise erklärt werden können – und auch zu zeigen, dass seine/ihre neue Hypothese nicht verkehrt ist bis die Erklärungen von allem anderen.

Wie einige der Kommentare gesagt haben, wenn Sie anfangen, an den Werten der Fundamentalkonstanten im Standardmodell der Teilchenphysik herumzubasteln, werden Sie wahrscheinlich ein alternatives Modell des Universums erstellen, das nicht mit Beobachtungen auf sehr großer Ebene übereinstimmt Maßstab - nicht nur über die Datierung einiger terrestrischer Fossilien.

Der „Big Picture“-Ansatz ist hier von entscheidender Bedeutung. Sie können sicherlich argumentieren, dass das Finden eines fossilen Fisches auf dem Gipfel eines hohen Berges bedeutet, dass es irgendwann in der Geschichte eine globale Flut gegeben haben muss - aber sobald Sie ein globales Modell der Plattentektonik haben, müssen Sie nicht mehr darüber nachdenken dass versteinerter Fisch kein Sonderfall mehr ist!

Ich dachte, ich würde etwas darüber hinzufügen, wie Kopplungskonstanten und Massen variieren. Das ist vielleicht ein bisschen off-topic, und ich dachte darüber nach, eine Frage zu stellen, die ich selbst beantworten würde. Wie auch immer hier geht.

Wir haben eine Reihe von Größen im Universum, die durch Naturkonstanten miteinander in Beziehung stehen. Die ersten beiden sind Zeit und Raum, die durch die Lichtgeschwindigkeit miteinander in Beziehung stehen$x~=~ct$. Die Lichtgeschwindigkeit ist etwas, das ich als absolut grundlegend erachte. Es ist wirklich in korrekten Einheiten eine Lichtsekunde pro Sekunde oder eine. Die Lichtgeschwindigkeit definiert Lichtkegel, die projektive Unterräume der Minkowski-Raumzeit sind. Die Minkowski-Raumzeit kann dann als Folge einer Faserung über dem durch den Lichtkegel gegebenen projektiven Raum betrachtet werden. Die andere grundlegende Größe, die physikalische Eigenschaften in Beziehung setzt, ist die Planck-Konstante$h$oder$\hbar~=~h/2\pi$. Dies ist in zu sehen$\vec p~-~\hbar\vec k$wo$\vec k~=~\hat k/\lambda$. Dies bezieht sich auf Impuls und Wellenlänge und zeigt sich auch in der Unschärferelation$\Delta p\Delta x~\ge~\hbar/2$. Das Unsicherheitsprinzip kann gemäß der Metrik der Fubini-Studie angegeben werden, die eine Fibration von einem projektiven Hilbert-Raum zu einem Hilbert-Raum ist. Diese beiden Systeme haben aus dieser Sicht eine bemerkenswert ähnliche Struktur. Ich werde das dann als Postulat sagen$c$und$\hbar$absolut konstant sind, und da der Impuls die reziproke Länge ist, dann ist die Planck-Konstante in natürlichen Einheiten Länge pro Länge und ist einheitenlos.

Es gibt noch andere Konstanten in der Natur wie die elektrische Ladung. Die am häufigsten genannte wichtige Konstante ist die Feinstrukturkonstante

$$\alpha~=~\frac{e^2}{4\pi\epsilon\hbar c}~\simeq~1/137.$$ Diese Konstante ist absolut einheitenlos. In jedem Einheitensystem hat es keine Einheiten. In natürlichen Einheitensystemen haben wir das $e^2/4\pi\epsilon$hat die Einheiten von $\hbar c$, was in MKS-Einheiten ist $j-m$. Das wissen wir jedoch aus der Renormierung $e~\rightarrow~e)-~+~\delta e$ist eine Korrektur mit $\delta e~\sim~1/\delta^2$, zum $\delta~=~1/\Lambda$den Cutoff in der Raumskala für einen Propagator oder die Auswertung eines Feynman-Diagramms. Das bedeutet, dass sich die Feinstrukturkonstante mit der Streuenergie und bei den TeV-Energien des LHB ändern kann $\alpha'~\sim~1/127$. Wir haben natürlich die starken und schwachen Wechselwirkungen und wir können gut genug feststellen, dass es Kopplungskonstanten gibt $e_s$und $e_w$und die Analoga der Dielektrizitätskonstanten $\epsilon_w$und $\epsilon_w$es gibt also die Feinstrukturkonstanten $$\alpha_s~=~\frac{e_s^2}{4\pi\epsilon_s\hbar c}~\simeq~1,~\alpha_w~=~\frac{e_w^2}{4\pi\epsilon_w\hbar c}~\simeq~10^{-5}.$$ Am häufigsten sind diese Kopplungskonstanten $g_s$und $g_w$. Diese beiden haben Renormalisierungen $g_s~=~g^0_s~+~\delta g_s$und $g_w~=~g^0_w~+~\delta g_w$Dies führt zu dem Hierarchieproblem und wie Kopplungskonstanten variieren. Diese

Klar ist, dass die Konstanten der Eichkopplung mit dem Impuls variieren. Sie ändern sich nicht mit der Zeit, die durch$x~=~ct$oder allgemeiner Lorentz-Boosts bedeutet, wenn sich die Messgerätefelder mit der Zeit ändern würden, würden sie dies mit der räumlichen Entfernung tun. Bisher gibt es keine Beobachtungen und Daten einer solchen Variation von Strahlung, die aus dem sehr entfernten Universum emittiert wird.

Was ist mit Gravitation und Masse? Wir haben eine Massenrenormalisierung$m~\rightarrow~m~+~\delta m$. Dies kann bedeuten, dass die Masse eines Teilchens bei höherer Energie renormiert werden kann, und mehr bedeutet es, dass Terme aufgrund von Vakuumenergiebeiträgen, die die Masse einer nackten Teilchenmasse renormieren, sich addieren und aufheben müssen, um die von uns beobachtete Masse zu ergeben. Auch dies geschieht mit Schwung. Für das Higgs-Feld ist die Selbstinteraktion auf die zurückzuführen$\lambda\phi^4$Term, Technisch bedeutet dies, dass es einen Massen-Renormalisierungsterm gibt$\sim~\lambda/\delta^2$ $=~\lambda\Lambda$zum$\delta$eine kleine Region um den Punkt für die$4$Punktwechselwirkung, wo wir es in eine kleine Kugel oder Scheibe mit Radius geschmiert haben$\delta$. Ebenfalls$\Lambda$ist der entsprechende Impuls abgeschnitten. Wir haben ähnliche Physik für andere Felder, obwohl es bei Fermionen subtile Vorzeichenprobleme gibt,

Ich habe das Higgs-Feld verwendet, weil ich glaube, dass es eine tiefe Beziehung zwischen der Gravitation und dem Higgs-Feld gibt. Ich werde daraus berechnen, was ich für angemessen halte$\alpha_{grav}$. Wir können das Verhältnis der Compton-Wellenlänge berechnen$\lambda~=~M_H/hc$und Gravitationsradius$r~=~2GM_H/c^2$eines Higgs-Teilchens mit Masse$m~=~125GeV$ $=~2.2\times 10^{-25}kg$. Das heisst

$$\alpha_g~=~\frac{4\pi GM_H^2}{\hbar c}~=~\left(\frac{4\pi M_H}{M_p}\right)^2~=~1.3\times 10^{-33},$$ wo $M_p$ist die Planck-Masse. Diese Konstante ist dann mit der Masse aller Elementarteilchen verbunden. Die Renormierung auf der Higgs-Masse bestimmt die Masse aller anderen Teilchen.

Es gibt dann keinen Hinweis auf eine zeitabhängige Variation von Partikelmassen oder Kopplungskonstanten. Sie alle hängen von Impulsen ab, und die große Anzahl von Feynman-Diagrammtermen in verschiedenen Ordnungen addiert und löscht sich, um beobachtete Massen zu ergeben. Bei der Supersymmetrie wird dies durch die Streichung vieler Diagramme etwas vereinfacht.