Откуда мы знаем, что скорость радиоактивного распада постоянна на протяжении миллиардов лет?

Не ответ на ваш точный вопрос, но все же настолько тесно связанный, что я думаю, что он заслуживает упоминания: естественный ядерный реактор Окло, обнаруженный в 1972 году в Габоне (Западная Африка). Самоподдерживающиеся ядерные реакции деления произошли там 1,8 миллиарда лет назад. Физики быстро поняли, как они могут использовать это как очень точное исследование сечений захвата нейтронов так далеко назад. На самом деле повторный анализ данных [1] был опубликован в 2006 году с участием одного из авторов оригинальных статей 70-х годов. Идея состоит в том, что захват нейтронов значительно увеличивается, когда энергия нейтронов приближается к резонансу захватывающего ядра. Таким образом, даже небольшое смещение этих резонансных энергий привело бы к совершенно другому результату (другой смеси химических соединений в реакторе).

Следует отметить, что наиболее интересным результатом с точки зрения теоретической физики является то, что этот потенциальный сдвиг может быть связан с потенциальным изменением постоянной тонкой структуры$\alpha$. В документе делается вывод, что

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

[1] Ю.В. В. Петров, А.И. Назаров, М.С. Онегин, В.Ю. Петров, Е.Г. Сахновский, Естественный ядерный реактор при окло и вариации фундаментальных констант: нейтронно-физический расчет свежей активной зоны, Физ. Rev. C 74 (2006), 064610. https://journals.aps.org/prc/abstract/10.1103/PhysRevC.74.064610

Комментарий Сэмюэля Вейра о постоянной тонкой структуры довольно близок к ответу. Для электромагнитных переходов ядра они изменились бы, если бы постоянная тонкой структуры менялась с течением времени. Однако спектральные данные удаленных источников не указывают на такое изменение. Атомные переходы изменят свою энергию, и мы будем наблюдать фотоны из далеких галактик с другими спектральными линиями.

Для слабых и сильных ядерных взаимодействий ответ более сложен или многогранен. Для сильных взаимодействий у нас есть больше якоря. Если бы сильные взаимодействия изменили свою константу связи, это повлияло бы на звездную астрофизику. Звезды в далекой Вселенной были бы значительно другими, чем сегодня. Опять же, наблюдения за далекими звездами не указывают на столь резкое изменение. Для слабых взаимодействий все сложнее.

Большая часть ядерного распада происходит из-за слабых взаимодействий и производства$\beta$излучения в виде электронов и позитронов. Креационисты могут возразить, что в недавнем прошлом частота слабых взаимодействий была значительно выше, что привело к появлению большего количества дочерних продуктов, чем сегодня. Это создает видимость глубокого возраста, которого нет. Проблема радиоуглеродного датирования с процессом распада

$${}^{14}_ 6C~\rightarrow~ {}^{14}_7N~+~e^−+~\nu_e$$ в том, что если это изменилось за последнее $6000$годы, излюбленное время креационистов, это означало бы, что между методами радиоуглеродного датирования и историческими записями возникнут расхождения.

Ничто из этого на самом деле не является доказательством, но соответствует идее Бертрана Рассела о чайнике, вращающемся вокруг Юпитера.

Есть множество вопросов, на которые нужно было бы ответить, если бы кто-то хотел заявить, что в течение геологического времени происходили большие изменения скорости распада. Вот то, что я думаю, может быть лучшим экспериментом, чтобы доказать это утверждение.

Без использования радиологических данных можно сделать вывод, что Земле не менее миллиарда лет, путем подсчета ежегодных слоев осадочных пород и измерения толщины пластов горных пород, а также взаимной корреляции между ними по наличию идентичных или почти идентичных ископаемых видов. Это то, что сделали викторианские геологи, что привело к единственному известному мне случаю, когда геология превзошла физику в выводе истины. Физики утверждали, что мир не может быть намного старше 50 миллионов лет, потому что ни один известный химический процесс не может удерживать солнце горячим дольше этого времени. Геологи настаивали, по крайней мере ,миллиард лет, и если это не химия, то что-то другое должно питать солнце. Они были правы. Солнце светит за счет неизвестного тогда ядерного синтеза, а не химии. Кстати, это «по крайней мере», потому что трудно найти осадочные породы возрастом более миллиарда лет, и такие породы не содержат полезных окаменелостей. Тектоническая активность стерла большинство свидетельств докембрийского возраста... кроме цирконов, но я забегаю вперед.

Теперь перейдем к сегодняшнему дню, когда мы сможем провести изотопный микроанализ урана и свинца внутри циркона ( цирконийсиликатные) кристаллы. (Перейдите к следующему абзацу, если вы знаете о цирконах с радиодатированием.) Циркон обладает несколькими уникальными свойствами. Чрезвычайно высокая температура плавления. Чрезвычайная твердость, больше, чем у кварца. Высокая плотность. Вездесущность (цирконий в расплавленной породе всегда кристаллизуется в цирконы по мере охлаждения расплава, прежде чем вообще кристаллизуются какие-либо другие минералы). И самое главное, очень плотная кристаллическая структура, которая не может вместить большинство других элементов в качестве примесей при формировании. Основным исключением является уран. Единственный способ, которым свинец может попасть в кристалл циркона, — это если он изначально представляет собой уран, который распадается на свинец после того, как кристалл затвердеет из расплава. Этот уран состоит из двух изотопов с разным временем распада, и каждая цепочка распада заканчивается разными изотопами свинца. Измерив относительную концентрацию двух изотопов свинца и двух изотопов урана в цирконе, вы можете определить время с момента его образования, используя два разных «часа». Эти цирконы обычно имеют размер песчинок, поэтому образец горной породы будет содержать миллионы независимых «часов», что позволит провести хороший статистический анализ.

Итак, давайте найдем несколько цирконов в вулканическом вторжении в осадочную породу, возраст которой мы приблизительно знаем по викторианской геологии. Лучше всего, если магматическая порода образовалась на большой глубине, где все ранее существовавшие цирконы растворились бы обратно в расплаве. Присутствие метастабильных минералов высокого давления, таких как алмаз или оливин, позволило бы нам сделать вывод, и тот факт, что все цирконы имеют одинаковое соотношение урана и свинца, подтвердит вывод. В противном случае можно было бы ожидать найти смесь молодых и старых цирконов. Выберите самые молодые, которые кристаллизовались во время вторжения, а не были переработаны тектонической активностью из более древнего времени. (Что во многих случаях является первоначальным затвердеванием земной коры и лучшей оценкой возраста нашей планеты, но это'

Теперь сравните возраст, полученный по радиоактивному распаду, с менее точным возрастом, полученным из викторианской геологии. Если скорость радиоактивного распада сильно изменилась за глубокое геологическое время, между этими двумя оценочными возрастами возникнет несоответствие. Кроме того, расхождение будет различным для интрузий разного возраста (судя по геологии Виктории), но постоянным для интрузий одинакового возраста в разных местах.

Ищите места, где есть осадочная порода с интрузией, покрытая более молодой осадочной породой без интрузии, а это означает, что можно сделать вывод, что возраст интрузии находится между возрастом двух осадочных слоев. Чем ближе возраст двух осадочных толщ, тем лучше.

Я не знаю, было ли это сделано (я очень на это надеюсь). Любой серьезный сторонник изменяющегося во времени радиоактивного распада должен исследовать это. Если никто не смотрел, выйдите на поле, найдите эти несоответствия и опубликуйте. Если он прав, это может привести к Нобелевской премии. Ответственность за это, безусловно, лежит на нем, потому что в противном случае к этой теории применима бритва Оккама.

Возвращаясь к физике, я бы задал еще один вопрос, если это наблюдение не даст убедительных доказательств того, что скорости радиоактивного распада действительно меняются со временем. Это это. Как получилось, что$^{238}$U и$^{235}$У "часы" в цирконах всегда совпадают? Радиоактивный распад — это, по сути, квантовое туннелирование через потенциальный барьер. Период полураспада экспоненциально зависит от высоты барьера. Любое предлагаемое изменение во времени означало бы, что высота этого барьера менялась в течение длительного времени таким образом, что относительная скорость$^{235}$U и$^{238}$U распад не меняется . Это большой вопрос для любой такой теории, учитывая экспоненциальную чувствительность к изменениям.

Суть здесь в том, что мы ничего не «знаем» о «реальном мире». Все, что у нас есть, — это модель мира и некоторая мера того, насколько эта модель соответствует тому, что мы наблюдаем.

Конечно, вы можете построить полностью непротиворечивую модель, которая гласит: «Невидимая, ненаблюдаемая сущность создала все, что я когда-либо наблюдал, за секунду до своего рождения, и заставила его казаться намного старше по причинам, которые люди не могут понять». Но, как писал Ньютон в « Началах » в разделе, где он излагает свои «правила занятия наукой», гипотезы нон финго — не изобретайте теории только ради того, чтобы изобретать их.

На самом деле один из примеров, приведенных Ньютоном, чтобы проиллюстрировать это положение, был вопиющей ошибкой — он использовал свой общий принцип, чтобы заключить, что солнце испускает свет и тепло в результате тех же химических реакций, что и угольный огонь на Земле, — но суть не в этом: учитывая ограниченные экспериментальные знания, которые он имел, ему не нужна была другая гипотеза о солнце, чтобы объяснить то, что было известно о нем.

Итак, ситуация между вами и вашим другом на самом деле обратная. У вас (и у всех традиционных физиков) есть модель Вселенной, в которой предполагается, что эти константы не меняются со временем, и она очень хорошо согласуется с экспериментальными наблюдениями. Если ваш друг хочет заявить, что они действительно меняются, на нем лежит ответственность найти некоторые наблюдаемые факты, которые не могут быть объяснены никаким другим образом, а также показать, что его/ее новая гипотеза не противоречит действительности. до объяснения чего-нибудь еще.

Как говорилось в некоторых комментариях, если вы начнете возиться со значениями фундаментальных констант в Стандартной модели физики элементарных частиц, вы, вероятно, создадите альтернативную модель Вселенной, которая не согласуется с наблюдениями на очень большом шкале - не только по датировке нескольких земных окаменелостей.

Здесь критически важен подход «общая картина». Вы, конечно, можете возразить, что обнаружение ископаемой рыбы на вершине высокой горы означает, что в какой-то момент истории должен был быть глобальный потоп, но если у вас есть глобальная модель тектоники плит, вам не нужно рассматривать та ископаемая рыба уже как частный случай!

Я подумал, что добавлю кое-что о том, как меняются константы связи и массы. Это может быть немного не по теме, и я подумал о том, чтобы задать вопрос, на который сам бы ответил. Во всяком случае здесь идет.

У нас есть ряд величин во Вселенной, которые связаны друг с другом фундаментальными константами. Первые два из них — это время и пространство, которые связаны друг с другом скоростью света.$x~=~ct$. Скорость света — это то, что я считаю абсолютно фундаментальным. Это действительно в правильных единицах световая секунда в секунду или один. Скорость света определяет световые конусы, которые являются проективными подпространствами пространства-времени Минковского. Таким образом, пространство-время Минковского можно рассматривать как расслоение над проективным пространством, заданным световым конусом. Другой фундаментальной величиной, которая связывает физические свойства, является постоянная Планка.$h$или же$\hbar~=~h/2\pi$. Это видно в$\vec p~-~\hbar\vec k$куда$\vec k~=~\hat k/\lambda$. Это связывает импульс и длину волны, а также проявляется в принципе неопределенности.$\Delta p\Delta x~\ge~\hbar/2$. Принцип неопределенности можно сформулировать в соответствии с метрикой Фубини-Штуди, которая представляет собой расслоение проективного гильбертова пространства на гильбертово пространство. Эти две системы имеют удивительно схожую структуру, если смотреть с этой точки зрения. Тогда я скажу как постулат, что$c$а также$\hbar$абсолютно постоянны, а поскольку импульс есть величина, обратная длине, то в натуральных единицах постоянная Планка есть длина на длину и безразмерна.

В природе есть и другие константы, такие как электрический заряд. Наиболее часто упоминаемой важной константой является постоянная тонкой структуры.

$$\alpha~=~\frac{e^2}{4\pi\epsilon\hbar c}~\simeq~1/137.$$ Эта константа абсолютно безразмерна. В любой системе единиц оно не имеет единиц. В естественных системах единиц мы имеем, что $e^2/4\pi\epsilon$имеет единицы $\hbar c$, что в единицах МКС составляет $j-m$. Однако мы знаем из перенормировки, что $e~\rightarrow~e)-~+~\delta e$это коррекция с $\delta e~\sim~1/\delta^2$, за $\delta~=~1/\Lambda$обрезание в пространственном масштабе для пропагатора или оценка диаграммы Фейнмана. Это означает, что постоянная тонкой структуры может меняться в зависимости от энергии рассеяния, а при энергиях LHB в ТэВ $\alpha'~\sim~1/127$. Конечно, у нас есть сильное и слабое взаимодействия, и мы можем с уверенностью сказать, что существуют константы связи. $e_s$а также $e_w$и аналоги диэлектрических проницаемостей $\epsilon_w$а также $\epsilon_w$так что есть константы тонкой структуры $$\alpha_s~=~\frac{e_s^2}{4\pi\epsilon_s\hbar c}~\simeq~1,~\alpha_w~=~\frac{e_w^2}{4\pi\epsilon_w\hbar c}~\simeq~10^{-5}.$$ Чаще всего это константы связи $g_s$а также $g_w$. Эти два имеют перенормировки $g_s~=~g^0_s~+~\delta g_s$а также $g_w~=~g^0_w~+~\delta g_w$это приводит к проблеме иерархии и тому, как меняются константы связи. Эти

Ясно только то, что калибровочные константы связи меняются в зависимости от импульса. Они не меняются со временем, что$x~=~ct$или, в более общем смысле, усиление Лоренца означает, что если калибровочные поля действительно меняются со временем, они будут изменяться с пространственным расстоянием. До сих пор нет наблюдений и данных о такой вариации от излучения, испускаемого из очень далекой Вселенной.

А гравитация и масса? У нас есть массовая перенормировка$m~\rightarrow~m~+~\delta m$. Это может означать, что масса частицы может быть перенормирована при более высокой энергии, и, более того, это означает, что члены из-за вкладов энергии вакуума, которые перенормируют массу голой частицы, должны суммироваться и сокращаться, чтобы дать массу, которую мы наблюдаем. Опять же это происходит с импульсом. Для поля Хиггса само взаимодействие обусловлено$\lambda\phi^4$термин, Технически это означает, что существует термин перенормировки массы$\sim~\lambda/\delta^2$ $=~\lambda\Lambda$за$\delta$небольшая область вокруг точки для$4$точечное взаимодействие, где мы размазали его в какой-то маленький шарик или диск радиуса$\delta$. Также$\Lambda$- соответствующий импульс отрезан. У нас есть аналогичная физика для других полей, хотя с фермионами есть тонкие проблемы со знаками.

Я использовал поле Хиггса, потому что считаю, что существует глубокая связь между гравитацией и полем Хиггса. Я из этого собираюсь вычислить то, что я считаю подходящим$\alpha_{grav}$. Мы можем вычислить отношение длины волны Комптона$\lambda~=~M_H/hc$и гравитационный радиус$r~=~2GM_H/c^2$частиц бозона Хиггса с массой$m~=~125GeV$ $=~2.2\times 10^{-25}kg$. Это означает

$$\alpha_g~=~\frac{4\pi GM_H^2}{\hbar c}~=~\left(\frac{4\pi M_H}{M_p}\right)^2~=~1.3\times 10^{-33},$$ куда $M_p$есть планковская масса. Затем эта константа связана с массой всех элементарных частиц. Перенормировка массы бозона Хиггса определяет массу всех остальных частиц.

Тогда нет никаких указаний на то, что существуют какие-либо изменения масс частиц или констант связи, которые зависят от времени. Все они зависят от импульсов, и большое количество членов диаграммы Фейнмана в различных порядках складываются и сокращаются, чтобы получить наблюдаемые массы. В суперсимметрии это делается несколько проще за счет отмены многих диаграмм.