Respuestas (LXXVI): ¿Cómo sabemos si las leyes de la física han cambiado con el tiempo?

La lista de fenómenos que se repiten una y otra vez es larga. Una de las leyes de la física más famosas es el hecho de que la energía se se convierte de unas formas en otras (química, térmica, cinética, etc), pero nunca se crea ni se destruye. Pero, por supuesto, hay muchas más: los planetas dan vueltas alrededor de las estrellas siguiendo órbitas elípticas, los fotones rebotan sobre las superficies reflectantes en el mismo ángulo en el que inciden sobre ellas y los objetos que reciben un empujón en el vacío seguirán moviéndose en línea recta hasta que una fuerza externa actúe sobre ellos, por citar algunos ejemplos.

Pero estas leyes no surgen de la nada, sino que están determinadas por las propiedades intrínsecas de la materia y el espacio, que son unos 25 parámetros o constantes entre los que están la masa y la carga de los electrones, la constante de gravitación universal, la velocidad de la luz o la constante de Planck, entre otras.

¡Ahí quería llegar! ¿Cómo sabemos que esos parámetros son realmente constantes? ¿Y si fueron distintos en el pasado? ¿Y si la constante de la gravedad empezara a cambiar y se volviera 0 y…? 

Vaya, qué irrupción más efusiva, voz cursiva. En realidad, la mejor manera de comprobar si las leyes de la física han sido siempre las mismas es medir si se ha producido algún cambio en estos parámetros fundamentales de la materia a lo largo de la historia del universo.

Pero, para variar, las cosas son más complicadas de lo que parecen porque, por suerte o por desgracia, los seres humanos llevamos demasiado poco tiempo apuntando lo que ocurre a nuestro alrededor como para poder distinguir algún cambio apreciable en las constantes universales durante la corta existencia de nuestra especie (en la escala geológica).

Por ejemplo, si la constante de gravitación universal hubiera sufrido un cambio significativo en los últimos miles de años, la interacción gravitatoria entre la Tierra y la Luna habría sido distinta en el pasado y, por tanto, deberíamos observar alteraciones en la frecuencia de los eclipses a lo largo de los siglos… Pero, pese a que tenemos registros de eclipses de más de 4.000 años de antigüedad, no se ha encontrado ninguna variación que induzca a pensar que la constante de gravitación universal haya cambiado significativamente en los últimos milenios (en este enlace podéis ver algunos de ellos que datan desde el 2137 a.C.).

Por tanto, si las leyes de la física han cambiado con el tiempo, lo habrán hecho en escalas temporales muchísimo mayores. Por tanto, para poder distinguir cualquier cambio en ellas no queda más remedio que medir cuál era el valor de esos parámetros fundamentales en un pasado mucho más remoto, del orden de miles de millones de años.

Ya, claro, ¿cómo se supone que puedes medir cómo era una constante física hace miles de millones de años? ¿No se te está yendo un poco de las manos el exagerómetro?

Para nada, voz cursiva. No hace falta viajar en el tiempo para obtener pistas de lo que ocurría hace miles de millones de años: en el pasado ocurrían cosas y, por suerte, muchos de esos acontecimientos han terminado dejando una marca reconocible en el registro geológico. Estudiando estas marcas se puede deducir qué procesos ocurrían en un lugar concreto en el pasado y si actuaban de la misma manera que ahora. Si este no es el caso, sería una pista de que las leyes de la física que gobernaban esos procesos estaban haciendo algo raro en aquella época.

Me parece que vas a tener que poner un ejemplo.

Vale, entonces hablemos del estudio de la evolución de la constante de estructura fina, el parámetro que determina la fuerza con la que interaccionan las partículas fundamentales que tienen carga eléctrica (como los electrones) y ayuda a determinar la intensidad con la que se producen algunas reacciones en el núcleo de los átomos.

Resulta que, como comento con más detalle en mi nuevo libro, en la región de Oklo (Gabón, África) estuvo ocurriendo un fenómeno muy curioso hace entre 1.800 y 2.000 millones de años: un depósito de minerales de uranio se inundaba periódicamente, lo que facilitaba el intercambio de neutrones entre las rocas y, por tanto, permitía la fisión de los núcleos de uranio-235 (U-235) contenidos en el yacimiento. Básicamente, era un reactor nuclear natural que produjo energía durante unos cientos de miles de años.

El «reactor fósil 15«, uno de los depósitos de Oklo que sostuvo las reacciones de fisión nuclear hace casi 2.000 millones de años. (Fuente)

Y la existencia de este fenómeno nos viene de perlas para estudiar la evolución de la constante de estructura fina.

En una reacción de fisión nuclear, los núcleos de U-235 absorben un neutrón. Durante el proceso, el átomo de uranio se desestabiliza y se separa en dos núcleos diferentes, además de emitir tres nuevos neutrones que pueden continuar propagando la reacción si chocan contra algún otro átomo de U-235 cercano.

(Fuente)

Por otro lado, los dos núcleos en los que se divide un átomo de U-235 tienen un número de protones mucho menor que el núcleo original y, por tanto, se trata de elementos más ligeros distintos al uranio (como comentaba en esta otra entrada). Dicho de otra manera: durante la fisión, un átomo de uranio se desintegra y da lugar a dos nuevos átomos de elementos diferentes.

La fisión del uranio no siempre da lugar a los mismos elementos aunque, por estadística, suelen tratarse de pares de átomos que rondan entre las 95 y las 137 partículas en su núcleo, respectivamente.

(Fuente)

Entre los elementos a los que da lugar la fisión del uranio se encuentran algunos como el samario-149, el europio-151 o el gadolinio-155. Hay muchos otros, por supuesto, pero la razón por la que he mencionado éstos en concreto es que son isótopos que tienen la capacidad de absorber muy fácilmente los neutrones que chocan contra ellos.

Y aquí viene la parte importante de la entrada.

Como hemos visto otras veces, la diferencia entre un elemento químico y otro reside en el número de protones que contienen sus átomos en el núcleo. Pero, claro, los elementos que tienen más protones en su núcleo también necesitan contener más neutrones para mantenerse estables y, como los neutrones no tienen carga eléctrica, los átomos con número de protones concreto (o, lo que es lo mismo, los átomos de un elemento químico determinado) pueden ir acompañados por cantidades distintas de neutrones. Estas versiones con más o menos neutrones de un mismo elemento se llaman isótopos.

Por poner un ejemplo simple, el hidrógeno tiene tres isótopos: el hidrógeno-1, el hidrógeno-2 (o deuterio) y el hidrógeno-3 (o tritio). En esta notación, el número que acompaña el nombre del elemento simplemente representa la cantidad de partículas que hay en su núcleo (protones + neutrones): 1 protón (H-1), 1 protón y 1 neutrón (H-2) o 1 protón y 2 neutrones (H-3).

La imagen viene de otra entrada del blog sobre isótopos en la que me dio por usar gatos en vez de partículas, pero viene a ser lo mismo. (Fuente)

Volviendo a Oklo.

Como su nombre indica, el samario-149 es un isótopo del samario, el elemento que tiene 62 protones en el núcleo. Los átomos de este isótopo que se forma a partir de la fisión del uranio-235 son especialmente interesantes para el estudio de la constante de estructura fina porque, en cuanto un neutrón choca contra ellos, lo absorben muy fácilmente y se convierten en samario-150 (que sigue siendo el mismo elemento, pero simplemente tiene un neutrón más en su núcleo).

Y ahora llega la parte realmente importante de la entrada.

Resulta que la constante de estructura fina determina, entre otras cosas, la facilidad con la que los núcleos atómicos de un isótopo concreto pueden capturar neutrones. Y no sólo eso sino que, además, un cambio muy leve en la constante de estructura fina afectaría en gran medida a la capacidad de absorber neutrones de estos elementos.

Por tanto, si esta constante hubiera sido distinta en el pasado, la cantidad de samario-150 que se habría formado en los minerales del reactor de Oklo sería distinta de lo que cabría esperar con el parámetro actual. Es por eso que, analizando la proporción de samario-149 y samario-150 que contienen los minerales del reactor de Oklo, se puede saber si la abundancia de cada isótopo encaja con el escenario en el que la constante de estructura fina ha permanecido constante durante todo este tiempo o si, por el contrario, hay señales de que su valor era distinto en el hace casi 2.000 millones de años, cuando el reactor estaba en funcionamiento.

Ah, mira, estupendo. ¿Y se han analizado ya esas rocas? ¿Cuál es el veredicto?

Pues parece que algunos estudios han detectado una variación minúscula de la constante de estructura fina (del orden de cientos de miles de billonésimas de su valor cada año), pero el cambio es tan pequeño que se puede tratar de un error de medición, así que concluyen que la constante no ha cambiado en absoluto. Aunque es verdad que otros estudios en los que se han detectado cambios similares descartan que se trate de un error experimental, de momento parece que la evidencia apunta a que la constante de estructura fina no ha cambiado con el tiempo.

Vaya, ¿y no hay ningún otro fenómeno que podamos analizar para ver si la constante de estructura fina está cambiando?

Qué pregunta más oportuna, voz cursiva, porque justamente quería hablar sobre eso.

Como comenté en esta otra entrada, la materia emite luz cuando, entre otras circunstancias, uno de sus electrones pasa de una órbita a otra. Dependiendo de la diferencia entre la energía de las órbitas entre las que el electrón pega el salto, la radiación que emitirá será más o menos energética.

(Fuente)

Por tanto, si la constante de estructura fina hubiera cambiado con el tiempo, también lo habría hecho el comportamiento de los electrones y, en consecuencia, el de la luz que emiten. Dicho de otra manera: si la constante de estructura fina ha cambiado, la frecuencia de la luz emitida hace miles de millones de años por un elemento determinado debería ser ligeramente distinta a la que emite ese mismo elemento hoy en día.

Esta diferencia se manifestaría en las líneas de absorción del espectro de la luz, que estarían desviadas respecto a las líneas actuales (lo que se llama corrimiento al rojo, que comentaba con más detalle en esta otra entrada).

Un ejemplo exagerado de lo que veríamos al descomponer la luz analizada si la constante de estructura fina hubiera cambiado.

Sí, claro, ¿y cómo se supone que vas a observar luz emitida hace miles de millones de años? ¿Dónde guardas la máquina del tiempo?

Está en el cielo y todo el mundo puede acceder a ella, voz cursiva: hay objetos que se encuentran tan lejos de nosotros que su luz ha tardado miles de millones de años en llegar hasta nuestras pupilas. Por tanto, analizando la luz de determinados cuerpos celestes muy lejanos podemos deducir cómo eran las leyes que gobernaban el universo en el pasado más remoto.

Por ejemplo, en 2010 un grupo de investigadores de la universidad de Swinburne (Australia) analizó la luz de varias galaxias muy lejanas (y, por tanto, en el pasado) y no sólo detectaron una ligera variación en la constante de estructura fina sino que, además, parecía que la constante era mayor en una dirección del cielo que estudiaron y menor en otra. El resultado es interesante pero, como en el caso anterior, no es concluyente: los autores de este otro estudio de 2014 analizaron la luz de quásares lejanos con algunos de los mejores telescopios del mundo y no encontraron evidencias que sugieran que la constante de estructura fina pueda haber cambiado a lo largo de miles de millones de años.

Y este ejemplo ilustra más o menos la situación actual de la respuesta a la pregunta de hoy: de momento no se ha encontrado ninguna prueba concluyente de que alguna constante de la naturaleza haya variado con el tiempo, así que el consenso científico es que las leyes de la física no han cambiado. Aunque, por supuesto, se trata de un campo de estudio en el que las futuras mediciones que se harán con herramientas más precisas nos permitirán salir de dudas.

Eeeestupendo. Y… ¿Ya está? ¿Aquí acaba la entrada? ¿No te estás dejando ninguna información importante?

Eh… ¡Ah, es verdad! Gracias, voz cursiva.

Técnicamente las leyes de la física sí que han cambiado con el tiempo, en el sentido de que las constantes universales no aparecieron de manera inmediata en el mismo momento en el que se produjo el Big Bang. Por ejemplo, los electrones no tuvieron masa hasta un segundo después de que se produjera el Big Bang, momento en el que surgió el llamado campo de Higgs que les otorga su masa. O sea, que la pregunta de hoy hace referencia a si las leyes de la física han cambiado desde que aparecieron poco después del inicio del universo.

¿Así mejor, voz cursiva?

Sí, ahora sí.

Estupendo, entonces podemos pasar a publicidad.