В океане энергии

Распределению Больцмана подчиняются не только атомы и молекулы, но любые объекты, обладающие энергией, способные взаимодействовать между собой и передавать друг другу часть своей энергии. То же самое произойдет, если вы насыпете в банку много стальных шариков и потрясете ее. Чем больше энергия шарика, тем чаще сталкивается он с другими шариками, тем «охотнее» делится с ними своей энергией. В результате большая часть шариков в банке обладает некоторой более низкой энергией.

Возьмите стержень из любого материала и поднесите один его конец к пламени горелки. В первый момент в части стержня, соприкасающейся с пламенем, образуется много «энергичных» атомов. Они сразу начинают взаимодействовать, передавая энергию другим атомам до тех пор, пока вдоль всего стержня не установится одинаковая температура, т. е. пока все атомы стержня не подчинятся распределению Больцмана.

Если изолированная система, состоящая из многих объектов, подчиняется распределению Больцмана, говорят, что она находится в состоянии равновесия. Как вывести систему из равновесия, нарушить распределение Больцмана? Подействуйте на нее извне. Но и в этом случае распределение Больцмана скоро восстановится, как у нагреваемого стержня. Система придет в равновесие, если угодно, приспособится к новым условиям.

Развивая аналогию с электронным домом, можно представить себе, что где-то случилось нечто интересное и жильцы устремляются наверх, чтобы посмотреть. Но любопытство скоро проходит, и на первом этаже их снова будет больше, чем на втором, на втором — больше, чем на третьем, на третьем — больше, чем на четвертом и т. д. Природа ленива — с этим ничего не поделаешь.

Вещество наоборот

Теперь осветите какое-нибудь вещество лучом света — направьте на него пучок фотонов. Если энергия фотонов не совпадает ни с какой разностью между двумя энергетическими уровнями, фотоны проходят сквозь вещество, не взаимодействуя с его атомами,— вещество прозрачно. А если энергия фотона оказывается достаточно близкой хотя бы к одной разности между двумя энергетическими уровнями, тогда происходят акты вынужденного излучения и акты поглощения, но поскольку менее энергичных электронов больше, актов поглощения также больше, и все фотоны рано или поздно оказываются поглощенными. Вещество непрозрачно.

Все это относится к веществу в его равновесном состоянии, к веществу, предоставленному самому себе. Наши аналогии помогли сформулировать задачу, которая известна в физике как задача получения вещества с инверсией населенностей, т. е. вещества, у которого количество жильцов верхних этажей электронного дома преобладает над количеством жильцов нижних этажей. Удачный литературный образ превратился со временем в строгий научный термин.