¿Cómo se verifica experimentalmente la aleatoriedad de la desintegración radiactiva de un solo átomo?

Permítanme describir un experimento que hice en la escuela de posgrado (ya no es tan reciente) para detectar la descomposición de los muones de rayos cósmicos. Aquí hay una descripción detallada de un experimento muy similar al que hice. Aunque el experimento involucra muones, la respuesta que daré no depende de este detalle, excepto en algunos detalles del montaje experimental. Los principios de la mecánica cuántica no dependen de la partícula específica que esté utilizando. Si no cree eso, podría imaginarse haciendo variantes del procedimiento a continuación con diferentes tipos de partículas en descomposición, y siempre encontraría las mismas respuestas a sus preguntas.

El procedimiento es que teníamos una caja para atrapar muones. La caja estaba hecha de un cristal centelleador (material que emite destellos de luz cuando se excita), junto con tubos fotomultiplicadores unidos a la parte superior e inferior de la caja. Los tubos fotomultiplicadores miden destellos de luz (a) cuando un muón atraviesa el cristal (es decir, cuando entra o sale de la caja) o (b) cuando un producto de desintegración del muón (electrón) golpea el cristal. También hay destellos aleatorios debido a procesos no relacionados con los muones.

Hay cierta lógica que debe implementar para determinar qué señales que detecta provienen de un muón que se descompuso, a diferencia de los muones que pasan a través del detector, o son capturados por un núcleo, o se deben a eventos que no están relacionados con cósmica. rayos No es demasiado difícil hacer esto, y los detalles están en el pdf que vinculé arriba.

Una vez que determine qué eventos son muones que entraron en la caja y luego se desintegraron, nuestro conjunto de datos consta de dos cosas:

• El momento en que el muón entró en la caja.
• El momento en que el muón decae

Restando esos dos, obtenemos el tiempo de decaimiento de cada muón individual.

Si bien el objetivo del laboratorio era determinar la vida útil (en términos generales, calculando el tiempo promedio de decaimiento de los muones), podríamos haber usado los datos para responder a sus preguntas, así:

la descomposición de un solo átomo no se puede predecir, es verdaderamente aleatoria

Si observa los tiempos de decaimiento de los muones en secuencia, no hay un patrón perceptible. También puede verificar que no haya correlaciones entre los tiempos de decaimiento (por ejemplo: no hay correlación entre el valor del 1er tiempo de decaimiento observado y el 4to). Incluso puedes comprobar que la secuencia que obtienes es consistente con las estadísticas de Poisson, y que si repites el experimento$N$veces cada uno con$M$eventos de muones, la distribución de secuencias que obtenga será consistente con$N$sorteos de secuencias con longitud$M$de una distribución de Poisson.

Puede intentar inventar algoritmos para predecir el próximo tiempo de desintegración de muones, teniendo en cuenta todos los tiempos de desintegración de muones que ha visto hasta ese momento. Por lo que nadie ha podido decir después de alrededor de cien años de teoría cuántica (dependiendo de cómo se cuente), y como predice firmemente la mecánica cuántica, no hay forma de que pueda usar ninguna información para predecir la vida de un muón individual.

la descomposición de un solo átomo no está influenciada por su entorno

Puede repetir el experimento cambiando los detalles de la configuración, como la habitación en la que se encuentra, el cristal centelleador, el material que compone la caja, cambiando la temperatura de la caja, etc. Encontrará el valor que obtiene durante la vida útil. No cambiar.

la probabilidad de desintegración es constante en el tiempo e independiente de las interacciones previas del átomo

Puede repetir este experimento varias veces en diferentes momentos del día, diferentes épocas del año, diferentes años, etc., y encontrará el mismo tiempo promedio de decaimiento para el muón. De hecho, puede ver el hecho de que hay una respuesta "correcta" que se supone que debe obtener en este laboratorio, que obtuve, y que también obtuvieron décadas de "niños" antes que yo, como evidencia de que la vida no está cambiando con el tiempo. .

la probabilidad de desintegración es la misma para todos los átomos del mismo elemento

Dado que los muones en el experimento son siempre diferentes (dado que emergen de diferentes rayos cósmicos), repetir el experimento varias veces también probará los resultados con diferentes muones.

Durante los últimos cien años, se han monitoreado muchas muestras de isótopos radiactivos durante un período de tiempo. Todos ellos muestran una tasa exponencial de descomposición. Esto indica que una fracción fija de los átomos de la muestra se desintegrará en un período de tiempo determinado, lo que solo puede resultar de una probabilidad fija de que cualquier átomo se desintegre en ese tiempo. Parece poco probable que la agitación dentro de un núcleo se produzca por su entorno o su historia.