К физике конденсированных сред относят излучение кристаллов, магнетиков, жидких кристаллов, сверхтекучих жидкостей и т. д. — упорядоченных сред; а также аморфных тел, полимеров, стёкол — неупорядоченных сред.
Квантовая теория позволила не только объяснить атомные спектры, но и разгадать многие загадки в поведении твёрдых тел, прежде всего кристаллов. Казалось бы, кристалл, содержащий миллионы атомов, исследовать в миллионы раз труднее, чем отдельный атом. Но на самом деле задача не так уж и сложна, если посмотреть на неё с другой точки зрения. Структура кристалла весьма упорядоченна — это кристаллическая решётка. Внутри его по любой прямой линии через равные промежутки находятся одни и те же атомы (или ионы, или молекулы). Кристалл обладает свойством периодичности по любому направлению. Потому-то при исследовании кристаллов помогает в первую очередь именно упорядоченность, а не свойства отдельных атомов (молекул). Как и в теории молекулярных спектров, здесь применяют методы теории групп и их представлений.
Если атом в кристалле попытаться сдвинуть, то немедленно возникнет сила, которая оттолкнёт его от соседних атомов и возвратит в исходное положение. Благодаря этому кристалл устойчив: его атомы могут испытывать лишь колебания относительно положения равновесия. Другое дело — электроны атомов. Часть из них, расположенная на низших энергетических уровнях, всегда остаётся в своём атоме. Но электроны с верхних уровней (валентные) довольно свободно перебегают от одного атома к другому: они теперь принадлежат всему кристаллу. Движение таких электронов определяется уже не столько свойствами отдельных атомов, сколько свойствами кристаллической решётки.
Следовательно, можно рассматривать кристалл как совокупность двух подсистем. Первая из них — сама кристаллическая решётка, периодическая структура из атомов (молекул), лишённых валентных электронов, а потому положительно заряженная. Вторая — совокупность электронов в периодическом электрическом поле положительно заряженной решётки.
Любое внешнее воздействие на кристалл (механическое, электрическое, магнитное, тепловое) приводит к тому, что в одной из подсистем (или в обеих сразу) распространяются волны — как от брошенного в воду камня. Свойство периодичности избавляет от необходимости изучать в кристалле колебания отдельных ионов или отдельных валентных электронов. Достаточно исследовать волну в целом: согласно квантовой теории, каждой такой волне соответствует частица — квант данной волны; в теории твёрдого тела она называется квазичастицей. Опять же по квантовой теории, квазичастицам разрешено иметь энергию (как и другие характеристики) не любых значений, а лишь некоторых, определяемых конкретной структурой кристалла. Существует много типов квазичастиц. Один из них — фононы, или кванты упругих колебаний кристаллической решётки, отвечающие, в частности, за распространение в кристалле звука и тепла.
Таким образом, можно утверждать, что квантовая теория — это универсальный инструмент, позволяющий проводить качественное и количественное исследование вещества на любом уровне — от атомов до сплошных сред.
Достоинство квантовой теории заключается не только в том, что с её помощью удалось понять необъяснимые с точки зрения классической теории факты. Благодаря ей перед учёными открылись такие горизонты, о каких они и не мечтали. Буквально "на кончике пера", просто анализируя формулы, физики находят удивительные эффекты, воплощают идеи в приборы, которые производят переворот в технике. Наиболее впечатляющие из них — квантовые генераторы.
В 1939 г. Валентин Александрович Фабрикант (1907—1991) заметил, что при определённых условиях падающее на вещество электромагнитное излучение усиливается. Суть явления состоит в следующем. Известно, что электроны и в отдельных атомах или молекулах, и в сплошных средах могут находиться на разных энергетических уровнях. Для простоты будем говорить о двух уровнях — E1 и E2 ,E1 > E2 . Если на такую систему падает электромагнитная волна с частотой
то в соответствии с постулатами Бора фотон может отдать свою энергию электрону, перебросив его с уровня E2 на более высокий E1 . Это явление резонансного поглощения. Но, как показал Эйнштейн (1917 г.), ничем не отличающийся от первого фотон способен заставить электрон, находящийся на уровне E1, опуститься на E2 с излучением фотона той же частоты, что и первый, который летит в том же направлении. В результате вместо одного фотона появляются два одинаковых — произошло вынужденное излучение. В обычных условиях термодинамического равновесия меньше электронов на высоком энергетическом уровне, чем на нижнем. Поэтому в результате резонансного поглощения общее число фотонов частоты f при прохождении через вещество уменьшается. Если же по каким-то причинам электронов на верхнем уровне больше, излучение частоты f усиливается, что и отметил Фабрикант. Он сформулировал принцип усиления электромагнитного излучения.
Дело оставалось за "малым": добиться, чтобы на верхнем уровне оказалось больше электронов, чем на нижнем. В 1954 г. Николай Геннадиевич Басов (родился в 1922 г.) и Александр Михайлович Прохоров (родился в 1916 г.) и независимо от них американец Чарлз Хард Таунс (родился в 1915 г.) создали приборы, генерирующие и усиливающие радиоволны микроволнового диапазона на молекулах аммиака, — мазеры (Мазер - сокращение от англ. Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation - "усиление микроволн в результате вынужденного излучения"). Электроны в них перемещало на верхний уровень электрическое поле сложной конфигурации. Так зародилась квантовая электроника.
Эта область науки и техники развивалась лавинообразно. В 1952 г. французский теоретик Альфред Кастлер (1902—1984) предложил метод оптической накачки, и уже вскоре появились генераторы и усилители когерентного оптического излучения — лазеры (Лазер - сокращение от англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - "усиление света в результате вынужденного излучения").
Ещё один триумф квантовой теории связан с прогнозированием и объяснением свойств вещества при очень низких температурах. В первую очередь это относится к сверхпроводимости и сверхтекучести. При очень низких температурах миллионы атомов собираются в своеобразный "ком", который ведёт себя как одна частица. Данное явление, названное бозе-эйнштейновской конденсацией, вошло в научный обиход тоже благодаря квантовой механике — мощнейшему инструменту для предсказания и толкования новых эффектов.
