В океане энергии

Проблема эта весьма глубока и до сих пор не решена полностью. Поэтому ограничимся здесь тем, что наметим контуры одного из возможных ответов на поставленный вопрос. Не скроем этого, он удовлетворил бы нас в наибольшей мере. Пусть имеется все та же бутылка с порохом, на сей раз крепко заткнутая пробкой, и пусть в некоторый момент вы подожгли порох каким-нибудь не оказывающим на бутылку влияния способом, например с помощью солнечных лучей, которые сфокусировали увеличительным стеклом. По мере сгорания пороха давление внутри бутылки увеличивается. Вопрос первый: почему стенки бутылки не выпускают продукты сгорания, если, как мы установили, никаких стенок на самом деле не существует, а существуют лишь атомные ядра, расположенные друг от друга на гигантских по сравнению с их собственными размерами расстояниях?

Молекулы горячих газов взаимодействуют не с самими молекулами стенок бутылок, а с чем-то, что находится в промежутках между молекулами. Что же такое там может находиться? Молекулы стенок бутылки взаимодействуют между собой, иначе говоря, они обмениваются энергией. Но мы уже говорили, что энергия может излучаться и поглощаться лишь порциями — квантами. В твердом теле такие кванты энергии получили название фононов. Промежуток между молекулами стенок бутылки заполнен большим количеством фононов.

На первый вопрос можно найти вполне удовлетворительный ответ, если предположить, что эти-то частицы и осуществляют передачу энергии между любой парой молекул, независимо от того, принадлежат они обе стенке или одна — стенке, вторая — газу. Если молекула принадлежит газу, она не может пройти сквозь стенку, поскольку этому мешают столкновения с множеством фононов. Что здесь самое замечательное? Нет нужды рассматривать отдельные акты взаимодействия. Все происходящее в нашей системе исчерпывающим образом описывается, если исходить из утверждения, что сумма количеств движения всех молекул и всех фононов либо равна нулю, либо равна количеству движения центра масс системы.

Подобные представления позволяют ответить на второй важный вопрос: почему в некоторый момент времени вылетает пробка или лопается бутылка и система, ранее представляющаяся нам как целое, разлетается на множество частей? Происходит так потому, что имеются некоторые ограничения, накладываемые на энергию фононов. Поскольку и молекулы, и фононы обладают лишь кинетической энергией (в отсутствие поля отсутствует и потенциальная энергия), мы можем, во всяком случае на данном уровне рассмотрения, обойтись без привлечения понятия потенциальной энергии.