¿Cuál es la probabilidad de que todos los átomos en un cubo de 1 pulgada * 1 pulgada * 1 pulgada de uranio-235 se descompongan exactamente al mismo tiempo?

OK, entonces probemos esto. Obviamente, necesitamos definir “exactamente el mismo tiempo” como un rango de tiempo finito o, como Mario Pasquato señala con razón, esto es matemáticamente imposible.

Digamos que para fines prácticos ‘exactamente al mismo tiempo’ significa dentro de un nanosegundo uno del otro. El uranio-235 tiene una vida media de 703.8 millones de años, por lo que nos da una constante de descomposición [matemáticas] \ lamda = ln 2 / t_ {1/2} = 4.50 \ veces 10 ^ {- 17} [/ matemáticas] / s o [matemáticas] 4.50 \ veces 10 ^ {- 26} [/ matemáticas] / ns. En otras palabras, cualquier átomo tiene una probabilidad de [matemática] 4.50 \ veces 10 ^ {- 26} [/ matemática] de descomposición en cualquier nanosegundo dado.

Para que todos sus átomos se descompongan en ese lapso de tiempo, solo tenemos que elevar eso a la potencia del número de átomos. Como el uranio tiene una densidad de aproximadamente 19.1g / [matemática] cm ^ 3 [/ matemática] y 1 pulgada cúbica es 16.4 [matemática] cm ^ 3 [/ matemática] que es 304g de uranio o 1.33 moles = [matemática] 8.0 \ multiplicado por 10 ^ {23} [/ math] átomos. Entonces, la respuesta ingenua a su pregunta (es decir, simple y directa pero sin considerar los efectos más sutiles) es [matemática] {(4.50 \ veces 10 ^ {- 26})} ^ {8.0 \ veces 10 ^ {23}} [/ matemática ]

Lo cual es igual a [matemáticas] 3.6 \ veces 10 ^ {- 350257144982200575261531309080577} [/ matemáticas] en contra de que esto suceda. No voy a escribir eso … solo pon un decimal y sígalo 350257144982200575261531309080576 ceros y luego 36. Suponiendo que puedas escribir 10 ceros por segundo, solo escribir la probabilidad te llevará 1,000,000,000,000,000,000,000,000 años.

Para no contener la respiración.

Ahora, de hecho, las probabilidades son probablemente un poco mejores que esto, ya que un poco de descomposición liberará neutrones que podrían desencadenar más. Pero esto no ayudará mucho porque las posibilidades de que esos neutrones interactúen son bastante bajas, tanto porque tienen la energía incorrecta (es por eso que se necesita un moderador en los reactores nucleares) como porque el cubo es bastante pequeño, por lo que la mayoría dejará el material antes Tienen la oportunidad de reaccionar.

Pero tal vez puedas esperar solo una décima parte del tiempo. No hace ninguna diferencia práctica.

En física tenemos un nombre técnico para probabilidades tan bajas. Los llamamos “cero”.

La respuesta de Mario es exactamente correcta, pero supongamos que desea calcular la probabilidad de que un cierto número de átomos se descomponga espontáneamente en un período de tiempo determinado, en lugar de exactamente a la vez. Para encontrar la probabilidad de descomposición de un átomo, desea utilizar la función de distribución acumulativa de la distribución exponencial, con el parámetro (lambda) calibrado para la vida media del uranio. Para obtener la probabilidad de que los átomos de N se descompongan, lleve el resultado a la potencia de N. (Dejaré que busque la densidad de u235 y divida por la masa atómica). Para intervalos cortos de tiempo, puede aproximar esto con una distribución de Poisson, pero tal aproximación no tiene en cuenta el hecho de que cada átomo puede desintegrarse solo una vez. Espere que cualquier número sea excepcionalmente pequeño, posiblemente causando problemas de precisión de punto flotante en su computadora.

Tenga en cuenta que dichos cálculos suponen que las desintegraciones son independientes y no tienen en cuenta la reacción en cadena de la fisión nuclear. (Esto puede no cambiar las cosas tanto como podría imaginarse; incluso en las bombas nucleares, la gran mayoría del material nuclear se explota físicamente antes o se puede fisión).

Tener en cuenta la fisión mueve esto de una pregunta de estadísticas dignas de Quora a algo que requiere física avanzada en el mejor de los casos y una autorización de seguridad en el peor, según el nivel de detalle. (Si algún físico está leyendo esto y quisiera falsificar esa afirmación, estaría fascinado).

Exactamente 0. Si modela el tiempo como continuo, es decir, el tiempo de desintegración para cualquier átomo dado es una variable aleatoria de valor real.

Desafiaría las leyes de la física, por lo que estimaría que la probabilidad sería muy cercana a cero.

Bueno, no exactamente en descomposición y no exactamente al mismo tiempo es una bomba nuclear.