Máquinas del tiempo

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SA decía que el pasado era una ficción y ponía de ejemplo al nadador Mark Spitz y decía que Phelps era presente mientras competía y que era pasado, y por lo tanto ficción, cuando la carrera terminaba, cuando ganaba oro. —Cuando la carrera termina, termina la realidad—, concluyó SA.

Manuel Vilas.

Un científico es un lector del Cosmos. Su pasión: descubrir los planes del Universo y su historia, ambas lecturas están relacionadas. ¿Tiene el Universo un lenguaje? A través de la física hemos desarrollado métodos para entender algunas claves de nuestro entorno. Hemos escudriñado cielo y tierra en busca de respuestas y no ha sido en vano, ha sido, lo menos, fascinante. ¿Qué podemos decir del pasado, de nuestros orígenes?

La relatividad especial nos enseña que mirar hacia las profundidades del firmamento, en distancias astronómicas, es mirar al pasado. Ese conocimiento está en íntima relación con el hecho de que la velocidad de la luz en el vacío es un límite cósmico, es decir, que es constante y que nada puede ir más rápido. Como consecuencia, la información que obtenemos de los confines del Universo pertenece a los anales de su historia. Atados a estos conocimientos, y con el desarrollo de tecnologías avanzadas, hemos llegado tan lejos como para palpar las huellas de lo que parece ser el comienzo: los ecos del Universo temprano resplandecientes en la Radiación Microondas de Fondo Cósmico.    

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La imagen, tomada de la NASA, representa a la luz más antigua del Universo que hemos podido capturar, a unos 13.77 mil millones de años en el pasado: la Radiación Microondas de Fondo Cósmico. Es relativamente isótropa, de modo tal que la misma luz se puede detectar observando hacia cualquier parte del Universo. No podemos verla con nuestros ojos, pues los seres humanos somos ciegos a la región del espectro que corresponde a las microondas, pero si pudiéramos verla, resplandecería gloriosa ante nosotros.

Sin embargo, no es necesario ir tan lejos para toparnos con marcas de nuestro pasado. La Tierra misma rebosa en relojes naturales, en maquinas del tiempo, solo necesitamos ojos agudos y mucha imaginación. En 1869 el geólogo, explorador y botánico estadounidense John Wesley Powell se dio cuenta de que las rocas contienen evidencia del pasado de nuestro planeta. En un viaje de exploración al Cañón del Colorado, Powell entendió que las formaciones geológicas son como páginas de libros de historia de la Tierra, y que su investigación rigurosa nos permitiría entender las claves para hacer viajes especulativos al pasado y reconstruir buena parte de su evolución.

Cañón del Colorado. ¿Observas las formaciones que claramente delinean capas? Cada capa es un capítulo, cada linea define una historia en los procesos geológicos. Crédito de la Imagen: Wikipedia.

Los procesos geológicos suceden en secuencias dando lugar a las formaciones que se pueden observar hoy en cada rincón del planeta. Los geólogos tienen herramientas de química y física para inferir qué roca se colocó primero y cuál después y cuales fueron los procesos que desencadenaron una formación u otra.

Los desarrollos científicos de los siglos XIX y XX nos han aportado un acercamiento impresionante a la compresión del microcosmos y han sido determinantes en la reconstrucción de la evolución de la Tierra y el Universo. Veamos uno de los más relevantes.

La transmutación espontánea de los elementos

A finales del siglo XIX, casi rozando el siglo XX, Antoine Henri Becquerel, investigaba la conexión entre los rayos X y el fenómeno de la fosforescencia, cuando observó accidentalmente que unas placas fotográficas cubiertas con papel opaco a la luz, se manchaban por la cercanía de unas sales de Uranio. La pesquisa sobre el origen de esas manchas no se hizo esperar y pronto se descubriría que, efectivamente, el Uranio producía algún tipo de emisiones. Más adelante, el análisis de esa irradiación, proveniente del Uranio, reveló que era capaz de ionizar (esto es, cargar eléctricamente) el aire y que podía ser desviada por campos electromagnéticos. Sin lugar a dudas, se trataba de emisiones de partículas cargadas eléctricamente. ¿Cuál era el origen de esa pérdida de materia en el Uranio? La indagación profunda desveló que se trataba de emisiones provenientes de su núcleo atómico. El joven Becquerel había descubierto la radiactividad.

La radiactividad es un fenómeno de transmutación del núcleo atómico. Esto quiere decir que durante el proceso radiactivo los elementos se transforman unos en otros. En el caso del Uranio, éste se convierte en Plomo. El descubrimiento de la radiactividad representó un autentico hito científico y metafísico. Los núcleos de los elementos ya no tenían estructura indivisible, aquella que hemos buscado desde Demócrito: algunos se desintegran espontáneamente.   

¿Cómo ocurre esta desintegración/transmutación? para entender estos procesos es preciso conocer las variantes atómicas de cada elemento. Esto es, cada elemento de la tabla periódica, caracterizado por un número de protones fijo (o número atómico que define su nombre y su química), puede tener variaciones en su número de neutrones. Estos elementos que tienen igual número de protones pero que difieren en su número de neutrones se llaman: Isótopos1.

Observar en este trozo de tabla de isótopos que el número de protones es fijo para cada columna pero varia en su número de neutrones. Cada columna contiene varios isótopos de los elementos. Mientras que las filas mantienen fijo el número de neutrones. El número que acompaña a cada entidad del lado izquierdo es la suma de ambos.

Algunos isótopos son inestables, esto quiere decir que las fuerzas que mantienen unidos a los protones y neutrones no son suficientes para mantener unidas ciertas estructuras atómicas de tal forma que sus núcleos comienzan a romperse espontáneamente. Existen tres formas usuales de radiactividad nombradas de acuerdo a las primeras letras del alfabeto griego: alfa, beta y gamma.

  1. En la alfa se emiten núcleos enteros de Helio, esto es, trozos de núcleos que tienen 2 protones y 2 neutrones; de modo que el elemento baja en 2 su número atómico.
  2. En la beta un neutrón decae en un protón, un electrón y un antineutrino2. En este proceso, el átomo emite electrones como radiación y el protón, que provino del neutrón, se queda en el núcleo, así que el elemento aumenta su número atómico en 1. También puede ocurrir que el núcleo capture un electrón, que al combinarse con un protón y un neutrino se transforma en un neutrón y esto hace que el elemento reduzca su número atómico en 1.
  3. La radiación gamma es electromagnética. En este caso, los neutrones se encuentran en un estado energético de excitación y el proceso de liberación de energía los lleva a emitir fotones gamma (o rayos gamma) hasta que alcanzan la estabilidad. En este proceso no hay transmutación.

Adicionalmente, tenemos la fisión espontánea, que consiste en una reacción en cadena que comienza con la ruptura del núcleo en dos trozos grandes pero desiguales, por ejemplo el Uranio puede romperse en Kriptón y Xenón y, en el proceso, se liberan neutrones que impactan otros núcleos de Uranio produciendo más fisiones. Los procesos radiactivos pueden suceder en cadenas o combinaciones de todas sus variantes, hasta que el átomo alcanza la estabilidad. Por ejemplo, el Uranio pasa por varias etapas de desintegración alfa, beta y gamma, y por lo tanto, por varios elementos intermedios, hasta que finalmente se estabiliza en el Plomo. En 1903, Henri Becquerel, Marie Curie y Pierre Curie, recibieron el Premio Nobel de Física por el descubrimiento y estudio de la radiactividad.

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En la imagen vemos parte del proceso de decaimiento radiactivo del Uranio. Primero pasa por decaimiento alfa que lo transforma en Torio y luego, bajo emisión beta, en otro isótopo de Uranio. Después de sucesivas desintegraciones transmuta en otros elementos intermedios, también inestables, hasta llegar al Plomo.

  

El tictac de la desintegración del átomo

En la época de los romanos, existía una forma muy cruel de aleccionar a las tropas militares disidentes, que consistía en dividir el conjunto en grupos diez soldados y elegir a uno de cada grupo para someterlo a un castigo ejemplar. Esa práctica se conocía como la “Decimatio”, en latín. Veamos ahora cómo aquel hábito de los romanos tiene símil en los procesos radiactivos; y es que éstas desintegraciones no ocurren de manera aleatoria. Hay ritmos y patrones: dada una muestra, el número de núcleos que se desintegra por unidad de tiempo es una fracción constante del número inicial de núcleos. Esto quiere decir lo siguiente: supongamos que tengo una muestra de un tipo de átomo que se desintegra a la mitad en 10min, esto es, para una caja con 40 átomos, en 10 min quedan 20 de la especie original. Si ahora te doy una caja con 20 átomos de esa misma especie, en 10 minutos no se desintegran nuevamente los 20, sino 10 núcleos. Si lo que te he dicho no te deja perplejo, vuelve a leer. Es como si los átomos radiactivos de una muestra, en este ejemplo, supieran que sólo la mitad de ellos “deben ser castigados” en 10 min. El tiempo que tarda una muestra de una especie en desintegrarse a la mitad se llama “la vida media”. La ecuación que describe este comportamiento, en lineas generales, se llama la Ley de Curie-Rutherford-Soddy y, esencialmente, dice que la rata de desintegración del número de núcleos en el tiempo es proporcional al número de núcleos inicial en la muestra. Efectivamente, este resultado ha sido muy exitoso tanto para fracciones de segundos como para miles de millones de años; para todos los tipos de radiactividad (alfa, beta y la fisión espontánea), en condiciones extremas de presión y temperatura, y para cualquier estado de la materia; ya sea que los isótopos estén en estado líquido, sólido o gaseoso. Sin lugar a dudas, hemos logrado descifrar un secreto del cosmos: la radiactividad nos provee de un cronometro natural, es una maquina del tiempo.

El proceso que usan los expertos para hallar la edad de una muestra usando la radiactividad se llama: datación radiométrica. No es exagerado decir que éste es uno de los descubrimientos más importantes en la historia de la ciencia. Un sin número de disciplinas se han beneficiado de este hallazgo: la paleontología, geología, arqueología, astrofísica, entre otros. Lo podemos usar para hallar la edad de una roca y, con ello, ayudar a reconstruir la historia geológica de una región, o de huesos de alguna especie extinta, o de objetos hechos por el hombre en épocas pasadas, o de piezas de origen astronómico como meteoritos e incluso intentar calcular la edad del planeta entero. El primer cálculo de la edad de la Tierra, usando datación radiométrica lo hizo el geólogo Clair Patterson en 19533. Durante su tesis doctoral, en la Universidad de Chicago, analizó varios tipos de meteoritos (que se supone son material prístino del sistema solar) y obtuvo un resultado de 4.55 mil millones. Luego contrastó con la edad de unas muestras de rocas volcánicas de Hawaii y encontró aproximadamente el mismo resultado. Así concluyó que los objetos planetarios del sistema solar tienen aproximadamente 4.55 mil millones de años. Por supuesto que una empresa titánica como el estudio sobre la edad de la Tierra y el sistema solar requiere asumir otros conocimientos previos de geología, sobre el origen de los meteoritos, el origen de las rocas volcánicas y de los modelos de formación del sistema solar y del planeta en si mismo. Los científicos intentan calcular las mismas cosas usando enfoques diferentes, el análisis cruzado y redundante es la columna vertebral de la ciencia. Sin embargo, no es arriesgado decir que la datación radiometrica seguirá siendo esencial por mucho tiempo para escribir las crónicas del Universo.

Bibliografía
  • Claude J. Allégre, “Isotope Geology”, Cambridge University Press, 2008.
  • Edward J. Tarbuck and Frederick  K. Lutgens, ” Earth: An Introduction to Physical Geology”, Pearson Prentice Hall, 8th edition, 2005.
  1. En este artículo explico lo que hemos llegado a conocer sobre la composición y estructura de la materia, para quienes deseen hacer un repaso en el tema []
  2. Lee sobre antimateria aquí y sobre neutrinos acá. []
  3. 1) Patterson, C. C., The isotopic composition of meteoritic basaltic and oceanic lead and the age of the Earth. Proc. Conf. Nuclear Processesin Geology, William Bay, pp 36-40, 1953. 2) Patterson, C. C. Age of meteorites and the Earth. Geochim. Cosmochim. Acta, Vol.  10, pp 230-7, 1956. []
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