Квантовые явления в макроскопических телах наблюдать достаточно
трудно. Исключение составляют такие явления, как сверхпроводимость
и сверхтекучесть, но они проявляют себя лишь при очень
низких температурах. Поэтому возникает резонный вопрос: есть
ли такие специфически квантовые явления, которые можно было бы наблюдать
и при нормальных температурах?
На роль такого явления подходят разнообразные
изотопические эффекты в твердых телах. Краткий обзор
современного состояния исследований в этом направлении
дан в недавней работе [С.М.Стишов, УФН, 171, 299 (2001)].
Как известно, сугубо квантовое соотношение неопределенностей
Гейзенберга приводит к возникновению нулевых колебаний
частицы в потенциале, неких квантовых флуктуаций положения
частицы, существующих даже при нулевой температуре.
Это относится, в частности, и к атомам твердого тела.
Роль нулевых колебаний растет с уменьшением массы частицы --
это и есть изотопический эффект, когда свойства веществ,
составленных из разных изотопов одного элемента, оказываются
различными.
При нормальных температурах и давлениях эффект нулевых колебаний
очень мал: он просто незаметен на фоне больших тепловых
колебаний атомов. Для наблюдения квантовых эффектов
можно охлаждать образец, и тогда относительный вес
квантовых флуктуаций увеличится.
Есть, однако, и другой путь: изучать поведение вещества
при очень больших давлениях (тысячи атмосфер и более).
В таком случае уменьшается объем, в котором атомам приходится
колебаться, а значит, возрастает энергия нулевых колебаний
(вспомните самую первую задачу из курса квантовой механики: поведение
частицы в прямоугольной потенциальной яме).
Таким образом, иы получаем предсказание: изотопический эффект
(например, разность удельных объемов при одинаковом давлении
и температуре) растет с увеличением давления.
Кроме того, относительный рост квантовых флуктуаций
может вызвать при больших давлениях так называемое
холодное плавление кристалла.
Более аккуратные вычисления показывают, что описанная выше
картина справедлива лишь для вещества с кулоновским законом
межчастичного взаимодействия. Если же потенциал взаимодействия
быстро убывает с расстоянием, то имеет место обратная картина:
чем больше давление, тем слабее изотопический эффект.
В своей работе Стишов делает обзор имеющихся на сегодняшний
день экспериментальных исследований. Он приводит данные
по изотопическому смещению удельного объема в водороде, гелии,
литии, гидриде лития и углероде, а также анализирует
изотопический сдвиг температуры плавления гелия и водорода.
Общий вывод заключается в том, что в целом теоретические
предсказания подтверждаются. Однако автор обращает внимание
на некоторые странности в поведении гидрида лития и гелия,
которые пока не находят объяснения.