Передавая энергию веществу, можно образовать в нем сколько угодно возбужденных атомов. Можно загонять атомы на сколь угодно высокие энергетические уровни. Но природа ленива — всякая физическая система стремится принять такое состояние, в котором ее собственная энергия минимальна. Это один из фундаментальных законов природы. Как бы вы ни нагревали вещество, количество атомов на более низком энергетическом уровне, не обязательно основном, всегда преобладает над количеством атомов, находящихся на более высоком энергетическом уровне.
Число атомов, находящихся в данном состоянии (на данном энергетическом уровне), называют населенностью этого уровня. Представьте себе, что в электронном доме на каждом этаже сделаны полки, стелажи, как в библиотеке. Электроны располагаются по этим полкам. Если бы вам поручили расставить по полкам книги, причем сказали, что, мол, расставьте их в любом порядке, как вы поступили бы? Конечно, сначала набили нижние полки, а потом, когда внизу все заполнилось, взбираясь по стремянке, стали бы заполнять верхние полки.
Точно так же поступает и природа. Чем ниже энергетический уровень, тем больше на нем электронов. Повышается температура — электроны перебираются на более высокие уровни (на более высокий этаж), но снова на нижних полках электронов больше, чем на верхних. В равновесном состоянии (это очень важное уточнение) на более низкой энергетической полке электронов всегда больше, чем на более высокой. Это важнейшее обстоятельство известно как распределение Больцмана.
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.
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.
