Пример с ядерной физикой показателен. Аналогичные явления происходят и в других областях, науки.
Продвижение в область низких температур приводило к открытию новых явлений в окружающей нас природе, требовало пересмотра многих ранее установившихся представлений, например, представлений о характере изменения энергии вблизи абсолютного нуля.
До тех пор, пока исследователи сталкивались лишь со свойствами тел при комнатных или более высоких температурах, их вполне удовлетворяли законы классической физики. Согласно этим законам, энергия теплового движения в теле могла изменяться непрерывным образом, могла изменяться любыми сколь угодно малыми порциями. Согласно этим представлениям, по мере понижения температуры энергия движения частиц тела должна была бы все более и более уменьшаться. Наконец, при абсолютном нуле следовало ожидать некоего гипотетического состояния, в котором энергия движения становилась равной нулю, в котором полностью прекращалось движение частиц.
Первые же исследования, проведенные при низких температурах, показали ошибочность этих представлений. Пришлось подвергнуть ревизии как представления о состоянии тела при абсолютном нуле, так и о характере изменения энергии тела. Оказалось, что у частиц тела нельзя отнять всей энергии их движения. Всегда, даже при абсолютном нуле, у частиц тела остается некоторая энергия, называемая «нулевой энергией». Всегда, даже при абсолютном нуле, частицы тела сохраняют некоторое движение. В природе не существует состояния, в котором бы полностью прекратилось движение. Абсолютный нуль в значительной степени потерял свое выделенное положение. Это новое представление о состояния вещества при абсолютном нуле возникло лишь после привлечения к рассмотрению явлений при низких температурах квантовой физики.
Проявление нулевой энергии обнаруживается в самых разнообразных свойствах вещества. Так, связанное с ней движение вызывает дополнительное расширение линий рентгенограмм кристаллической решетки, снятых в области низких температур; уменьшает теплоту испарения газов, кипящих вблизи абсолютного нуля (водород, гелий); проявляется в спектрах двухатомных молекул и т. д. Значение нулевой энергии в свойствах веществ, находящихся в области низких температур, очень велико, — ведь это преобладающая энергия вблизи абсолютного нуля. Так, у жидкого гелия нулевая энергия при 4,2° К составляет около 80% от полной энергии.
Не менее существенные изменения претерпели и представления о характере изменения тепловой энергии. Оказалось, что ее изменение происходит в действительности лишь дискретными порциями — квантами. В области высоких температур эта прерывность энергии незаметна — уж очень это маленькие порции энергии в твердом теле. Так, например, наибольший квант у кристаллической решетки свинца соответствует тепловой энергии, приходящейся на одну степень свободы при 100° К. Это равно около 10-14 эрг.
Кванты тепловой энергии в твердом теле можно представить себе следующим образом. Хаотическое тепловое движение частиц тела является как бы совокупностью громадного числа колебаний атомов его решетки. Эти колебания могу? быть самыми разнообразными. В одних из них происходят относительные колебания двух соседних атомов, другие соответствуют длинноволновым звуковым колебаниям, распространяющимся в твердом теле. Энергия каждого из этих типов колебаний и изменяется дискретным образом, определенными порциями — квантами.
Чем короче звуковая волна, тем больше соответствующие этому типу колебаний кванты. Так, наибольшие кванты имею? звуковые колебания, длина волны которых совпадает с расстоянием между атомами.
Прерывность энергии неощутима до тех пор, пока на каждый тип колебаний приходится несколько квантов энергии. В этом случае, при охлаждении тела, происходит уменьшение энергии всех типов колебаний. Однако такое изменение энергии будет происходить лишь пока тепловая энергия, приходящаяся на какой-нибудь тип колебаний, не сравняется с величиной соответствующего кванта. Дальнейшее уменьшение энергии прекращается; у рассматриваемого типа колебаний остается лишь нулевая энергия. Так, по мере понижения температуры, прекращает изменяться энергия все новых и новых колебаний.
Подобный характер изменения с температурой энергии твердого тела наиболее отчетливо проявляется в его теплоемкости, которая прямо пропорциональна изменению энергии на градус. В области высоких температур, пока изменяется энергия всех типов колебаний, теплоемкость не зависит от температуры и одинакова для всех твердых тел, если ее отнести к равному числу частиц тела. До появления квантовых представлений и исследований в области низких температур повсеместно было распространено мнение, что подобный закон должен иметь место до самого абсолютного нуля. Этот закон даже имел свое имя: закон Дюлонга и Пти.
Однако дальнейшие опыты показали, что закон Дюлонга и Пти в действительности справедлив лишь при высоких температурах. При понижении же температуры теплоемкость тел, вместо того чтобы оставаться постоянной, начинает резко уменьшаться. Температура, с которой начинается это уменьшение теплоемкости, определяется величиной самого большого кванта в твердом теле.
Квантовый характер изменения энергии тел потребовал использования совершенно новых представлений для описания свойств тел вблизи абсолютного нуля. Как уже отмечалось, при абсолютном нуле в теле остается лишь нулевая энергия. Это как бы фон, определяющий основные свойства тел вблизи этой температуры. Если мы, исследуя тело, каким- то образом воздействуем на него, то это, в конечном итоге, приведет к увеличению энергии тела, к появлению квантов энергии у какого-нибудь типа движения. Эта энергия будет, конечно, передаваться по телу, переходить от одного типа движения к другому. Законами появления квантов энергии, их перемещения по телу, перехода от одного типа движения к другому и будут определяться все свойства тела.
Этими законами и интересуются в первую очередь исследователи. Очень часто кванты энергии называют «квазичастицами». Нужно сразу отметить, что в отличие от обычных частиц квазичастицы неотделимы от среды, в которой они появляются и распространяются. Законы, по которым происходит рождение квазичастиц, законы, по которым происходит их движение, точнее связь между их энергией и импульсом — «энергетический спектр квазичастиц», как обычно говорят, определяется силами взаимодействия в теле. Эти законы очень своеобразны и часто совершенно непохожи на привычные нам по классической физике.
С некоторыми из квазичастиц мы уже встречались. Такими квазичастицами являются, например, кванты колебаний кристаллической решетки твердого тела. Называют их фононами. Энергетический спектр у фонона — связь его энергии и импульса — резко отличается от спектра обычных частиц. Как известно, у обычных частиц энергия пропорциональна квадрату импульса (скорости) частицы. У фонона же имеет место прямая пропорциональность между импульсом и энергией.