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.
Как получить вещество с инверсией населенностей, иначе, активное вещество? Эта задача имеет даже не одно, не два, а множество решений. Простейшее состоит в механическом разделении возбужденных и невозбужденных атомов или молекул. Его нельзя признать самым удачным, но оно интересно тем, что привлекает то самое свойство ленивости природы, которому оно, казалось бы, должно противодействовать.
Давайте, однако, по порядку. Пусть вещество, в котором вы хотите создать инверсию населенностей, представляет собой газ, находящийся в обычных условиях. В таком газе всегда есть много возбужденных молекул и всегда количество молекул на более низких энергетических уровнях преобладает над количеством молекул на более высоких энергетических уровнях. С помощью насоса образуйте газовую струю и пропустите ее через сильно неоднородное электрическое поле. Электрическое поле называют неоднородным, если значения его напряженности в различных точках пространства отличаются друг от друга. Любой электрон, обладая электрическим зарядом, взаимодействует с электрическим полем — на электрон в электрическом поле действует сила, равная произведению заряда электрона и напряженности поля. А раз на электрон действует сила, значит, он приобретает дополнительную порцию энергии.
И вот тут наблюдается интересное явление, получившее название эффекта Штарка. Внешнее электрическое поле либо притормаживает электрон, уменьшая его полную энергию, либо, наоборот, подхлестывает его, увеличивая энергию. Соответственно увеличивается или уменьшается энергия всего атома. От чего это зависнт? От уровня, на котором находился атом или молекула. Один и тот же атом (молекула), находясь в одном состоянии, увеличивает свою энергию во внешнем электрическом поле, а находясь в другом состоянии, уменьшает свою энергию. То же самое происходит и во внешнем магнитном поле.
Эффект Штарка дает нам возможность потягаться с природой, пользуясь ее же оружием. Каждая физическая система стремится занять состояние, в котором ее собственная энергия минимальна. Что это означает применительно к нашему случаю? Каждый атом стремится занять такое положение в пространстве, где его полная энергия минимальна. Поле неоднородно, и различным точкам пространства соответствуют различные значения напряженности. Атомы (молекулы), чья энергия увеличивается во внешнем поле, устремятся туда, где поле поменьше, а атомы (молекулы), чья энергия уменьшается во внешнем поле,— туда, где поле посильнее. Это одни и те же атомы, но находящиеся в разных состояниях.