Vampiros, máquinas del tiempo y datación por radiocarbono

Año 1999. Durante una excavación arqueológica, salen a la luz los restos de una extraña criatura encerrada en un ataúd. El ser muestra un aspecto humanoide con un rasgo particularmente peculiar a la vez que intrigante: está dotado de unos prominentes colmillos. Tras ser sometidos al conocido análisis por carbono-14, se determina que la edad, tanto del ataúd como del cuerpo, asciende nada menos que a 65 millones de años.

Más o menos, en el mismo instante, el científico e inventor Joe Bodenland presenta en sociedad su última creación: el eliminador inercial, un revolucionario artefacto capaz de detener la entropía (¿!#$%&¡??) y, como consecuencia, actuar como máquina del tiempo. Con su ayuda, Bodenland viajará hasta finales del siglo XIX y conocerá al mismísimo Bram Stoker, que se encuentra en esos momentos escribiendo su inmortal novela "Drácula". Ambos se embarcarán en una peligrosa aventura en la que lucharán contra los Voladores, una raza de vampiros sedientos de sangre, liderada por el siniestro conde y que evolucionó en paralelo a la especie humana. Su periplo les llevará a recorrer la época victoriana, el siglo XX e incluso el período Cretácico.

Hasta aquí llego y me detengo, pues se trata de no desvelar completamente la trama de esta singular novela, cuyo argumento os he esbozado brevemente en los dos párrafos anteriores. Se trata de "Drácula desencadenado" (Dracula Unbound, 1990), cuyo autor es uno de los grandes del género de ciencia ficción: Brian W. Aldiss.

Sin embargo, y ya que esto es un blog de ciencia, me gustaría centrarme en una cuestión que me llama singularmente la atención. No, no se trata del problema del vampirismo, que ya traté en el capítulo titulado "El que te la chupa ajos no come" de mi libro "Einstein versus Predator" (Robinbook, 2011). Tampoco me quiero referir al asunto de la entropía, magistralmente diseccionada en el capítulo "La pistola es buena, el pene es malo" del mismo libro. Me refiero a otra cuestión mucho más mundana, que no es otra que el análisis de muestras arqueológicas mediante el empleo de una sustancia radiactiva como el carbono-14. Esta técnica fue desarrollada en la década de 1940 por Willard Libby y ha tenido un indudable impacto, tanto en la arqueología como en otros campos afines a la misma.

El carbono-14 es uno de los 13 isótopos conocidos del carbono natural y el tercero más estable. El número 14 indica la cantidad total de protones más neutrones que posee el núcleo del átomo en cuestión, en este caso el carbono. Como éste posee siempre 6 protones (a esta cifra se le llama número atómico y es fija para cada elemento de la Tabla Periódica), sabemos que tendrá también otros 8 neutrones, a diferencia del carbono ordinario, que tan sólo tiene 6, con lo que suele denominarse en ocasiones carbono-12.

El carbono-14 se genera en la atmósfera de nuestro planeta cuando los rayos cósmicos producen neutrones que impactan contra los átomos de nitrógeno del aire. A medida que más y más radiocarbono (carbono radiactivo) va apareciendo, éste se va mezclando entonces con el carbono-12 ordinario que se encontraba previamente en el medioambiente. Y, así, de esta manera, es ingerido por todos los organismos vivos que habitan la Tierra. Una vez que dichos organismos mueren, el suministro de carbono se interrumpe. A partir de este momento, el radiocarbono comienza a desintegrarse y la proporción, hasta entonces constante, entre carbono-14 y carbono-12 disminuye de forma exponencial. Dependiendo del valor de dicha proporción se puede deducir la edad de la muestra y, por tanto, la fecha de la muerte.

En apariencia, el proceso anterior resulta bastante sencillo. Sin embargo, a la hora de llevarlo a la práctica no es así debido, entre otras cosas, a que únicamente se encuentran 4 átomos de carbono-14 por cada 3 billones de átomos de carbono atmosférico. Un segundo inconveniente tiene que ver con la radiactividad de fondo que tiene su origen en fuentes normalmente presentes en el ambiente y que suelen enmascarar la propia desintegración radiactiva del radiocarbono. Para solucionar el problema es necesario recurrir a una cuidadosa separación química del carbono utilizando unos dispositivos de apantallamiento muy sofisticados. Finalmente, no hay que olvidar una tercera dificultad debida a la incertidumbre con que se conocen los niveles de radiocarbono en épocas pasadas.

En efecto, los estudios llevados a cabo en los anillos de los troncos de los árboles han permitido verificar las variaciones en los niveles de carbono-14 a lo largo de la historia. Dichos estudios parten de la premisa de que tan sólo la porción exterior del árbol es un material propiamente vivo, por lo que el anillo formado en cada año recoge el nivel de radiocarbono en dicho año. Así, utilizando datos recopilados a partir de árboles caídos hace mucho tiempo se han logrado construir cronologías que se remontan hasta 8000 años atrás.

La fracción de carbono-14  en la atmósfera llegó a caer en un 3 % aproximadamente en el siglo pasado debido al dióxido de carbono adicional producido por la combustión a gran escala de combustibles fósiles que ya no contienen radiocarbono (¿por qué?). Por otro lado, las pruebas atómicas llevadas a cabo desde medidos de los años 1950 invirtieron la tendencia y hacia 1963 los niveles de carbono-14 se duplicaron. De esta manera, el güisqui producido después de 1954 puede ser fechado rigurosamente analizando cuantitativamente el radiocarbono presente en el licor.

Pero volvamos al asunto que nos ocupa, que no es otro que la determinación de la edad de los misteriosos restos en la tumba hallada por los arqueólogos del año 1999 en la novela de Brian Aldiss aludida en los primeros párrafos. Bien, veamos, el comportamiento químico de todos los isótopos de un mismo átomo (el carbono, en nuestro caso) es idéntico, ya que solamente depende del número de electrones y éste siempre es el mismo, ya sea carbono-12 ordinario o carbono-14 radiactivo. En consecuencia, tanto el primero como el segundo se combinan por igual con el oxígeno para dar lugar a moléculas de dióxido de carbono. Y como los organismos vivos intercambian continuamente este dióxido de carbono con la atmósfera, la relación entre ambos isótopos del carbono en estos organismos debe ser la misma que existe en la atmósfera, en estado de equilibrio (se desintegran tantos núcleos como los que se generan). Pero cuando el ser vivo muere, el carbono-14 comienza a desintegrarse y la relación anterior empieza a modificarse.

Cuando se mide con los dispositivos adecuados, el resultado es de 15 desintegraciones por minuto y por cada gramo de carbono que contenga la muestra del organismo bajo análisis. Me detendré aquí por un momento.

La desintegración radiactiva está regida por las leyes no deterministas de la física cuántica. No se puede saber cuándo se va a desintegrar un núcleo radiactivo, tan sólo se puede conocer la probabilidad de que tal evento suceda. Así, si tenemos una muestra constituida por N núcleos radiactivos, podremos calcular la probabilidad de que al cabo de un cierto lapso de tiempo se hayan desintegrado un número dado de ellos. El tiempo transcurrido hasta que solamente sobreviven la mitad recibe el nombre de semivida, semiperíodo o vida media del nucleido en cuestión, y es característica del mismo. Al cabo de dos semividas quedará la cuarta parte; de tres semividas la octava parte; de cuatro semividas la dieciseisava parte y así, sucesivamente. Si hubiesen transcurrido algo menos de 10 semividas, en la muestra original apenas se mantendrían el 0,1 % de los núcleos originalmente presentes.

La actividad de una  muestra radiactiva es el número de desintegraciones por unidad de tiempo. Es una cantidad que decrece exponencialmente debido a que disminuye el número de núcleos presentes. Cuanto mayor sea la semivida del elemento tanto menor será la actividad y más grande tendrá que ser la cantidad de un isótopo radiactivo para que su actividad tenga un valor dado. Por ejemplo, la semivida del uranio-238 es de unos 4500 millones de años, y se necesitan 3 toneladas de éste para que la muestra presente la misma actividad que un solo gramo de radio-226.

En cuanto al carbono-14 su semivida también es bien conocida y asciende a unos 5730 años. Esto significa que si estamos analizando en un laboratorio una muestra de madera, semillas, huesos o cualquier otro resto orgánico y medimos una actividad por unidad de masa de 15 desintegraciones por minuto y gramo de carbono eso significará que el organismo acaba de morir. En cambio, si midiésemos una actividad de 7,5 desintegraciones por minuto y gramo, habrá transcurrido un tiempo igual a una semivida, esto es, 5730 años, aproximadamente. Una muestra que contenga 200 gramos de carbono y presente una actividad de 400 desintegraciones por minuto tendrá una edad de 16700 años.

Pues bien, si habéis entendido y asimilado todo cuanto os acabo de contar en los párrafos anteriores, supongo que no tendréis dificultad alguna en responder a las siguientes preguntas: ¿cómo es posible que los arqueólogos de la novela de Aldiss hayan empleado la técnica del carbono-14 para determinar una edad de los huesos y el ataúd vampírico de nada menos que 65 millones de años? ¿Cuántas semividas del carbono han transcurrido desde entonces? ¿Qué fracción del número de átomos de carbono original permanecería en la muestra al cabo de semejante lapso de tiempo? ¿Cómo hacen los paleontólogos para datar muestras geológicas de millones de años de antigüedad?