Rozpad promieniotwórczy: zegar zbudowany z przypadku

Przed Tobą tysiąc atomów promieniotwórczego pierwiastka. Każdy z nich rozpadnie się — ale który następny i kiedy? Tego nie wie nikt: ani my, ani sam atom. Mechanika kwantowa mówi, że to zdarzenie bez przyczyny, czysta ruletka. Uruchom symulację i patrz, co się dzieje, gdy losuje tysiąc ruletek naraz.

Atom nie ma pamięci

Stary atom uranu nie jest ani trochę „bliższy" rozpadu niż świeżo powstały. W każdej sekundzie swojego istnienia ma dokładnie to samo, niezmienne prawdopodobieństwo rozpadu — nie starzeje się, nie zużywa, nie zapowiada. To radykalnie inna losowość niż w maszynach: żarówka przepala się, bo włókno się zużywa. Atom rozpada się bez powodu.

Skoro prawdopodobieństwo na sekundę jest stałe, w każdej chwili ubywa ten sam ułamek tego, co zostało. A to prowadzi wprost do najważniejszej liczby tego artykułu: czasu, po którym znika połowa próbki.

Porządek z chaosu

Spójrz na krzywą po prawej stronie rysunku. Choć każdy pojedynczy rozpad jest nieprzewidywalny, punkty układają się posłusznie wzdłuż gładkiej, wykładniczej krzywej — i przecinają poziomy ½, ¼ i ⅛ niemal dokładnie co T½. To prawo wielkich liczb: przypadek uśredniony po tysiącach prób staje się pewnością. Właśnie dlatego fizyk nie umie nic powiedzieć o jednym atomie, a o gramie uranu — wszystko.

Pojedynczy atom jest kapryśny. Bilion atomów jest punktualny jak zegar.

Zegar z węgla

Ta punktualność to gotowy zegar. Żywy organizm nieustannie wymienia węgiel z otoczeniem, więc utrzymuje stały, śladowy poziom promieniotwórczego węgla-14. Śmierć zatrzymuje wymianę — i od tej chwili C-14 tylko ubywa, o połowę co 5730 lat. Mierząc, ile go zostało w kawałku drewna, kości czy płótna, odczytujemy, kiedy organizm przestał żyć. Tak datuje się mumie, osady i średniowieczne rękopisy.

Różne izotopy to zegary o różnym tykaniu: węgiel-14 mierzy tysiące lat, potas-40 i uran — miliony i miliardy. To dzięki nim wiemy, że Ziemia ma 4,54 miliarda lat, a nie „około biblijnych sześciu tysięcy".

To uproszczenieSymulacja pomija to, w co rozpada się atom (łańcuchy rozpadów, promieniowanie α, β i γ), a skala czasu jest umowna — suwak ustawia T½ w sekundach, by dało się patrzeć. Realne datowanie wymaga też korekt na zmienny poziom C-14 w atmosferze. Sedno pozostaje ścisłe: stałe prawdopodobieństwo na atom daje zanik wykładniczy.