Если взять, например, два атома урана-238, то их будет невозможно отличить друг от друга — одинаковое число протонов, нейтронов и электронов, идентичные квантовые свойства и характеристики взаимодействия. Проще говоря, полное сходство во всех аспектах.
Однако судьба этих атомов-близнецов абсолютно непредсказуема — один может превратиться* в атом тория через несколько секунд, а другой просуществует еще несколько миллиардов лет.
*Уран-238 при альфа-распаде теряет 2 протона и 2 нейтрона, превращаясь в атом тория-234.
Как такое возможно? Давайте вместе разбираться в этом контринтуитивном "колдовстве".
Таинственный микромир
Чтобы объяснить это странное явление, нам нужно погрузиться в океан элементарных частиц, приняв тот факт, что классическая физика тут не работает.
Итак, в мире квантовой механики мы сталкиваемся с удивительным парадоксом: судьба отдельного атома принципиально непредсказуема, но поведение больших групп атомов подчиняется строгим статистическим законам с высочайшей точностью.
Вероятность распада одного атомного ядра урана-238 в течение секунды (без видимой причины и какого-либо внешнего вмешательства) составляет всего 4,87×10⁻¹⁸ — невообразимо малая величина, определяющая период полураспада системы в 4,5 миллиарда лет. Другими словами, поведение каждого атома случайно, но миллионы таких атомов в совокупности следуют неизменному закону радиоактивного распада, порождая предсказуемость в макромасштабе. По этой причине примерно половина атомов урана, присутствовавших при формировании нашей планеты, все еще существует сегодня.
Физики десятилетиями пытались найти хоть какой-нибудь фактор, влияющий на момент распада отдельного атома. Исследовали температуру, давление, химические связи, электромагнитные поля – все тщетно. Само положение атома в пространстве и времени никак не связано с моментом его распада.
Туннельный эффект
В основе этой квантовой случайности лежит туннельный эффект. Частицы в ядре урана удерживаются мощным энергетическим барьером ядерных сил. Однако квантовые законы позволяют частицам иногда "просачиваться" через этот барьер, даже не обладая достаточной энергией. Если бы аналогичное происходило на макроуровне, то мяч, брошенный в стену, иногда пролетал бы сквозь нее.
Многие физики, включая Эйнштейна, были глубоко озабочены этой принципиальной непредсказуемостью квантового мира.
"Бог не играет в кости", – заявлял Эйнштейн, надеясь, что существуют какие-то скрытые параметры, которые мы просто пока не видим.
Однако все последующие эксперименты только укрепили теорию – на квантовом уровне природа действительно ведет себя случайно и непредсказуемо.
Удивительно, что из этого квантового хаоса на макроуровне возникает идеальный порядок. Данные радиоуглеродного датирования точны не потому, что мы знаем судьбу каждого атома, а потому что поведение группы атомов абсолютно предсказуемо (о чем было сказано выше).
Еще раз: непредсказуемость в поведении отдельного атома и строгая предсказуемость для их группы. Это звучит мозговыносяще, но как сказал астрофизик и популяризатор науки Нил Деграсс Тайсон:
"Вселенная не обязана иметь смысл в ваших глазах".
Важно отметить, что описанный квантовый парадокс присущ не только урану-238. Аналогичным образом ведут себя все радиоактивные элементы – от долгоживущего тория-232 до короткоживущего йода-131, используемого в медицине. Хотя в статье был рассмотрен конкретный случай радиоактивного распада, сами принципы квантовой неопределенности и вероятностной природы явлений применимы ко всем элементарным частицам и атомам Вселенной.