Яков Гегузин - Живой кристалл
Вернемся, однако, к фононам. Так как в логике теоретиков фононы пришли на смену слабо взаимодействующим волнам, тепловую энергию кристалла можно считать суммой энергий отдельных фононов. Итак, у истока рассуждений — реальный кристалл, в конце рассуждений — газ свободных «квазичастиц». Это особый газ, существенно отличающийся от обычного классического газа. Дебай, создавая теорию газа, состоящего из фононов, учел температурную зависимость их свойств.
Задачу о теплоемкости твердого тела Дебай свел, таким образом, к задаче о теплоемкости совокупности квазичастиц — фононов.
Изложенные рассуждения от конечной формулы, определяющей теплоемкость кристалла, которую получит теоретик, отделены его вычислительным мастерством, умением пользоваться математикой для точной и строгой формулировки идей.
Филигранно выполнив вычислительную работу, Дебай, в согласии с опытом, показал, что если кристалл составлен из одинаковых атомов, то в области низких температур его теплоемкость с температурой изменяется по закону С ~ T3. Заметьте: в согласии с опытом! А это значит, что картину теплового движения атомов в твердом теле, которая восходит еще к находке Дюлонга и Пти, он дорисовал правильно: атомы колеблются, каждый из них является квантовым маятником, маятники между собой связаны.
Здесь после слов «в согласии с опытом» можно бы поставить точку. Но рассказы о развивающейся науке обрывать точкой нужно очень осторожно. И поэтому в конце очерка обращу внимание читателя на следующее. Я рассказал о теплоемкости кристалла, состоящего из атомов, которые можно моделировать весомым шариком. Это — простейший случай. В металлах есть еще и свободные электроны — у них своя теплоемкость, подчиняющаяся иным, не «решеточным» законам, а в органических кристаллах в узлах сидят не атомы-шарики, а молекулы сложной формы, — у них свое отношение к теплу, заставляющему их не только колебаться вокруг положения равновесия, но и вибрировать, периодически меняя свою форму. Этот тип теплового движения, естественно, влияет на теплоемкость. А еще есть слоистые кристаллы, структура которых похожа на структуру колоды карт. В таких кристаллах атомы по-разному колеблются в плоскости слоя и в направлении, перпендикулярном ему. И это влияет на теплоемкость. О многом в очерке не рассказано. И все же рассказано, пожалуй, о самом главном, что составляет основу наших знаний, — о теплоемкости твердых тел. Или по-иному: о тепловом движении атомов в кристалле, об одном из основных признаков его жизни. В тексте очерка читатель не мог не ощутить подчеркнутой почтительности, обращенной к квантовой механике, которой оказалось под силу раскусить такой твердый орешек, как проблема теплоемкости твердого тела. Эта почтительность, конечно же, оправдана. Здесь, однако, есть место и почтительности, и, пожалуй, удивлению, обращенному к классической механике, той самой, которая с равным успехом описывает и движение планет во Вселенной, и движение атомов з кристалле. Пусть не во всем интервале температур, а только там, где справедливым оказывается закон Дюлонга и Пти. Все равно, удивительна и мощь, и общность классической механики.
Несколько фраз, завершающих очерк. Они были написаны после того, когда мой товарищ, заведомо доброжелательный читатель рукописи, сказал мне:
— Две теории, конечно, существуют, это ты заметил тонко, но только Эйнштейн и Дебай велики по-разному. Я бы на твоем месте это подчеркнул.
Правильный совет, подчеркиваю: Дебай, один из выдающихся физиков XX века, существенно уточнил теорию теплоемкости, созданную Эйнштейном, оказав этим огромную услугу физике твердого тела. А Эйнштейн — это Эйнштейн. Он не «один из», он гений, оказавший существенное влияние на развитие мировой цивилизации. Теплоемкостью твердого тела он тоже занимался...
НУЛЕВЫЕ КОЛЕБАНИЯ
Вначале о термине «нулевые колебания». Речь идет о тех колебаниях атомов кристаллической решетки, которые происходят и тогда, когда температура кристалла становится равной нулю. Они происходят и при иной, более высокой температуре, одновременно с обычными, классическими колебаниями, которые при нулевой температуре должны замереть. Классические замирают, а нулевые, или квантовые, остаются в чистом виде. Они не чувствительны к температуре! Они неуничтожаемы! Они — непременный признак жизни кристалла.
Если читателю совершенно неизвестны элементарные квантовые представления, буду его просить на начальном этапе наших рассуждений просто поверить мне, а я буду добросовестным и злоупотреблять доверием не стану. Впрочем, в очерке о теории Эйнштейна и Дебая я уже молчаливо пользовался доверием читателя, обсуждая свойства квантового маятника.
Здесь мне надо воспользоваться законом, который в конце 20-х годов сформулировал один из создателей квантовой механики немецкий физик Вернер Гейзенберг. Этот закон часто называют «принципом неопределенности». Речь идет вот о чем. Согласно принципу неопределенности для какой-либо частицы нельзя одновременно абсолютно точно определить координату х и импульс рх , направленный вдоль оси х. И та, и другая величины могут быть найдены с некоторой неточностью, при этом произведение этих неточностей обязательно превосходит величину постоянной Планка h, деленную на 2π:
∆x . ∆рх ≥ h/2π = ђ
Откуда следует это утверждение? Оно — изначальный, фундаментальный закон природы, которая устроена так, а не иначе. Оно, говоря философскими терминами, отражение объективной реальности. Вопрос «откуда» в данном случае задавать не следует, как не следовало спрашивать, почему энергия маятника квантуется. Впрочем, и принцип неопределенности, и квантование энергии маятника — это две стороны одного и того же закона природы. И Планк, и Эйнштейн, и Гейзенберг потому и велики, что сумели, наблюдая природу, подсмотреть или выпытать у нее фундаментальные законы, которые природа соблюдает. Или, быть может, догадаться о них, почувствовать, что они должны существовать.
То обстоятельство, что импульс атома в узле кристаллической решетки, т. е. в той позиции, где в соответствии со структурой кристалла атом расположен, не может быть равен нулю (потому что нуль — величина точная, а импульс может определяться с некоторой неточностью!), означает, что атом должен двигаться, а так как факт существования кристалла означает, что атом должен находиться неподалеку от узла решетки и, следовательно, ему не позволено смещаться на неограниченные расстояния, то его движение должно быть колебательным.
Итак, один из непременных признаков жизни кристалла — нулевые колебания составляющих его атомов. Нам, живущим в мире «нормальных условий» и «классических» проявлений законов природы, легко воспринять факт существования тепловых колебаний: более высокая температура — колебания активнее, при определенной температуре колебания могут стать настолько активными, что кристалл будет вынужден расплавиться. Тепловые колебания — еще со школьных лет явление настолько привычное, что кажется понятным и тогда, когда истинного понимания нет. Привычное, как правило, не вызывает вопросов, а, следовательно, молчаливо предполагается понятным. А вот нулевые колебания — за пределами привычного. Приблизимся к ним, попытаемся освоиться с ними, оценить величины, которые характеризуют этот вид колебаний.
Вначале о частоте нулевых колебаний. Здесь все ясно: она та же, что и при тепловых колебаниях. Иной она быть не может, так как вне зависимости от причины, вызывающей колебания, атом колеблется в определенной среде, обладающей определенными свойствами. Характеристики среды и атома и определяют частоту его колебаний. Эту частоту легко вычислить, так как ранее мы уже находили τ0:
ν0= 1/τ0 ≈ (аЕ/т)1/2.
Теперь об энергии нулевых колебаний Wн. Как следует из квантовой механики (поверьте!),
Wн = hν0/2.
Видимо, читатель хочет спросить: где источник этой энергии нулевых колебаний, которые существуют всегда, пока кристалл есть кристалл, за счет какого горючего она сохраняется? Сегодня не следует этого спрашивать! Нет такого горючего! Эта энергия — необходимое условие существования вещества, ее нельзя позаимствовать у данного вещества и перенести в другое. Философ, со свойственной ему склонностью к трудным словам, сказал бы так: она — непременный атрибут материи, она — форма существования материи, она существует, поскольку существует материя. Мы уже не первый раз встречаемся с тем, что не любая фраза, завершающаяся вопросительным знаком, формулирует вопрос, на который можно и нужно отвечать. Вот так! А вот вопрос о том, велика или мала величина энергии Wн (разумеется, по сравнению с какой-либо иной характерной энергией кристалла), — это вопрос! Его следует задать, и на него следует ответить.
