Конечная цель микроскопического, или атомистического, подхода состоит в том, чтобы найти эти недостающие числа, проникнуть глубже в поведение твердых тел и вывести их наблюдаемые характеристики, зная физические свойства и «способ укладки» атомов, составляющих эти тела. История этого подхода насчитывает более ста лет. Само же атомное строение материи предполагалось уже на протяжении двух тысячелетий. Однако достижения атомистического подхода оставались немногочисленными до тех пор, пока открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах и создание волновой механики не проложили прямой дороги к его систематическому развитию.
Идея о том, что все вещества состоят из атомов, позволяет сразу же обрисовать различия между тремя состояниями вещества — газообразным, жидким и твердым. В газах атомы (или, возможно, молекулы, каждая из которых состоит из нескольких прочно связанных друг с другом атомов) летают в виде крошечных компактных частиц. Они движутся совершенно независимо и очень слабо воздействуют друг на друга, за исключением тех моментов, когда два атома (или две молекулы) сталкиваются и один из них увеличивает свою скорость за счет другого. Если бы газ не был заключен в сосуд, молекулы разлетелись бы во всех возможных направлениях.
Когда температура газа понижается, понижаются и средние скорости молекул, молекулы начинают «чувствовать» действие сил взаимного притяжения. При достаточно низких температурах эти силы приводят к сцеплению молекул, так что образуется жидкость. В жидкости молекулы упакованы очень плотно, но все же еще способны передвигаться. В частности, они могут перемещаться с места на место, обеспечивая тем самым текучесть жидкости.
При еще более низких температурах жидкость затвердевает. В твердом теле молекулы упакованы лишь немногим более плотно, чем в жидкости (а во льду даже менее плотно, чем в воде), но они уже не могут перемещаться с места на место с прежней легкостью. Их движение теперь сводится к колебаниям вокруг фиксированных положений равновесия, от которых они не могут далеко уйти. Даже при абсолютном нуле (будь эта температура достижима) молекулы продолжали бы двигаться, совершая так называемые нулевые колебания.
Представление о твердом теле как о системе плотно упакованных молекул, связанных силами взаимного притяжения и находящихся в постоянном тепловом возбуждении, объясняет, почему столь трудно построить законченную количественную атомистическую теорию твердых тел. Если развивать эту теорию, исходя из первых принципов, мы придем к математическим уравнениям, описывающим поведение системы очень большого числа частиц, какой является совокупность атомов твердого тела. Эти уравнения слишком сложны для того, чтобы их можно было решить, и не столь «прозрачны», чтобы с их помощью можно было «заглянуть внутрь» твердого тела. Характерно, что физика твердого тела по существу вынуждена отказаться от своего первоначального идеала — вывода точных количественных законов поведения твердого тела на основе первых принципов — и ставит перед собой более скромную цель.
