В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики

Например, ядро углерода-14 (ядро углерода с шестью протонами и восемью нейтронами вместо обычных шести нейтронов) в каждую секунду имеет некоторую вероятность излучить бета-частицу – быстрый электрон (эта вероятность, как известно, равна одному шансу на 250 миллиардов – вам придется довольно долго ждать, прежде чем вы убедитесь, что данное ядро испустило бета-частицу). Эта индивидуальная вероятность распада одинакова для всех ядер углерода-14 в данном образце и независима от внешних условий, а также и от того, что происходит с соседним ядром. Она определяется только деталями связи компонентов ядра посредством сил, действующих между этими компонентами. Как только бета-частица испущена, ядро (в случае углерода-14 оно превращается в ядро азота-14 с семью протонами и семью нейтронами) теряет свою активность и прекращает испускать излучение. Получается, что общая скорость, с которой все ядра в образце излучают бета-частицы, уменьшается со временем, причем число ядер, распадающихся за любой данный период времени, пропорционально числу ядер, способных распасться. Изначально общая скорость распада высока, но по мере того, как распадается все больше ядер, скорость распада снижается, в точности как это происходит с разностью температур в ньютоновском случае, и скорость радиоактивного распада экспоненциально затухает.

Из закона радиоактивного распада вытекают важные следствия. Положительное следствие заключается в возможности использовать этот закон для определения возраста органических артефактов методом радиоуглеродного датирования, основанного на том, что относительное обилие углерода-14 и углерода-12 (обычного, устойчивого изотопа) изменяется со временем экспоненциально. Менее благоприятным является медленный распад многих радиоактивных изотопов, в особенности образовавшихся в качестве отходов процесса ядерного распада в атомных электростанциях и при ядерных взрывах. Можно вывести математическое следствие экспоненциального распада: для того, чтобы распалась половина имеющегося количества радиоактивного изотопа, всегда будет требоваться одно и то же время, каково бы ни было начальное количество вещества. Сначала распадется половина имеющегося количества, потом за то же время – половина оставшегося и т. д. Это время называется периодом полураспада данного изотопа (для углерода-14 это время составляет археологически удобную величину в 5730 лет). Хотя интенсивно распадающиеся радиоактивные изотопы могут иметь период полураспада в доли секунды, некоторые периоды полураспада измеряются годами и даже тысячелетиями. С этим мы сделать ничего не можем, разве что с помощью еще одного ядерного процесса превратить один изотоп в другой, более короткоживущий.

* * *

Эта глава заняла много места, и нам опять не помешает краткое резюме. Я доказал, что в огромном большинстве ситуаций наиболее вероятным исходом случайного распределения молекул по доступным им энергетическим уровням (с учетом ограничений, налагаемых законом сохранения энергии) является распределение Больцмана, динамическое распределение населенностей, зависящее от одного универсального параметра: температуры. Такое описание согласуется с обычным пониманием температуры и помогает объяснить, почему вещество устойчиво при нормальных условиях, но когда температура повышается, оно начинает трансформироваться в различные субстанции. Я также показал, что если на индивидуальные, независимые молекулы не наложено никаких ограничений и они, каждая в отдельности, ведут себя случайным образом, мы в результате получаем широко распространенный в Природе тип поведения – экспоненциальное затухание. Это обсуждение привело нас к объяснению двух законов природы: ньютоновского закона охлаждения и закона радиоактивного распада.

Бездействие и анархия во время нашего обсуждения то и дело высовывались то из одного, то из другого угла. Ведь именно они (через механизмы квантовой механики) ответственны за существование энергетических уровней. Подробности вывода распределения Больцмана определяются основанным на принципе бездействия законом сохранения энергии и анархически случайным распределением молекул по их энергетическим уровням. Скорость, с которой происходит выравнивание температуры и множество других процессов подобного типа, также определяется анархией поведения ансамбля индивидуальных частиц, бессознательно объединяющихся с целью создания закона, – или, скорее, случайным образом его порождая.

5 За пределами анархии

Почему все происходит