В мире науки и техники. Путь в современную физику
| Автор(ы): | Кемпфер Ф.
01.07.2013
|
| Год изд.: | 1972 |
| Описание: | Книга профессора Кемпфера представляет собой попытку перестроить методику изложения общей физики в соответствии с современными представлениями. Пользуясь весьма скромным математическим аппаратом, автор оригинально систематизировал, критически осмыслил и изящно изложил основные представления, на которых строится современная физика. Книга рассчитана на студентов младших курсов и школьников, ее с интересом и пользой прочтут научные работники, а преподаватели почерпнут в ней ценный методический материал, потребность в котором сейчас особенно велика в связи с начавшимся у нас в стране переходом на новые учебные программы. |
| Оглавление: |
Обложка книги.
Предисловие автора» в котором формулируются цели и задачи этой книги [15] Глава 1. Пространство событий в физике трехмерно по отношению к обычному пространству и одномерно по отношению к времени. Понятие пространства событий возникает при определении места и времени события (то есть того, где и когда оно произошло) для этого надо произвести три измерения длины и одно измерение времени. Кроме того, для полноты описания события необходимо знать, что именно произошло, а для этого требуется измерение нового типа, несводимое к измерениям длины и времени. В заключение приведена шкала длин и времен, доступных экспериментальному определению в настоящее время [17] Глава 2. Мировые линии объектов вводятся в качестве логически необходимых понятий, позволяющих экономно и компактно описывать огромное число различных событий, соответствующих движению объектов. Определения мгновенной скорости и ускорения дополнены утверждениями о существовании предельной скорости и гравитационного ускорения. Описание движения по окружности на примере орбит спутников подводит к понятию массы (гл. 3) как меры гравитационного взаимодействия [29] Глава 3. Масса как мера гравитации. Хотя эксперимент Кэвендиша с двумя массами и не позволяет определить каждую из них в отдельности, три опыта такого типа позволяют сделать это. Кратко формулируются законы Кеплера и объясняется природа приливного ускорения; показано, что приливное действие Солнца составляет менее половины приливного действия Луны, хотя гравитационное притяжение между Солнцем и Землей почти в 200 раз превосходит притяжение между Землей и Луной [46] Глава 4. Иерархия инерциальных систем отсчета присутствии гравитации включает свободно падающие системы отсчета (движущиеся, вообще говоря, ускоренно по отношению друг к другу, если их разделяет конечное расстояние). Первый закон Ньютона вводится для инерциальных наблюдателей, находящихся в данный момент в одной точке пространства. Аналогично второй закон Ньютона формулируется в терминах ускорения по отношению к локально инерциальным системам отсчета. Указано, что обычная форма этих законов справедлива лишь при введении ньютоновских систем отсчета — идеализированных систем отсчета, которые получаются при мысленном удалении всех локальных гравитационных центров в бесконечность и двигаются, таким образом, без ускорения по отношению к удаленным (называемым условно неподвижными) звездам [61] Глава 5. Закон сохранения импульса вводится как обобщение третьего закона Ньютона, который в оригинальной формулировке Ньютона относился лишь к силам, возникающим при контакте двух тел. Утверждение о том, что единственный способ взаимодействия состоит в локальной передаче импульса, приводит нас к понятию поля. У казано на трудности, связанные с попыткой описать гравитацию в терминах локального поля [72] Глава 6. Симметрия по отношению к обращению движения, на первый взгляд самоочевидная и малозначительная деталь, в действительности представляет далеко не тривиальное свойство природы. Эта симметрия позволила предсказать новые явления, получившие экспериментальное подтверждение. Однако, как показано в гл. 13, она приходит в противоречие с существованием выделенного направления течения времени [86] Глава 7. Вращения по отношению к ньютоновским системам отсчета приводят к наблюдаемым эффектам даже если непосредственно наблюдать удаленные звезды невозможно. Поставлен вопрос о природе инерции, как свойстве объектов [98] Глава 8. Закон сохранения момента импульса вводится как закон природы, определяющий локальную передачу другой динамической величины, присущей, помимо импульса, материальным объектам. Подчеркнуто, как важно обеспечить понятию момента импульса самостоятельное существование, независимое от орбитального движения объекта. В качестве примера разобрано понятие внутреннего момента импульса, или спина, элементарных частиц. В связи с центробежным и кориолисовым эффектами вновь указано на нерешенные аспекты проблемы происхождения свойства инерции [111] Глава 9. Закон сохранения энергии, как и предыдущие два, вводится в качестве закона природы, определяющего локальную передачу еще одной динамической величины, присущей объектам и выступающей в разных видах — потенциальной энергии, кинетической энергии, энергии покоя. Приведены многочисленные примеры, когда вакон сохранения энергии становился мощным орудием теоретического предсказания новых фактов, в том числе существование нейтрино, принципы Архимеда и Бернулли, действие гидравлических машин. Эмпирическое выражение закона сохранения энергии состоит в утверждении о «невозможности вечного двигателя первого рода» [123] Глава 10. Постоянство скорости света наряду с хорошо установленным на опыте свойством равноправности инерциальных наблюдателей заставляет пересмотреть понятие одновременности. Результат оказывается поразительным: одновременность событий зависит от состояния движения наблюдателя. Это «развенчание» абсолютного характера понятия одновременности — цена, которую надо уплатить за принятие более фундаментальной идеи — абсолютного характера интервала и массы покоя [138] Глава 11. Абсолютный характер интервала и массы покоя Разделение пространства — времени на пространственноподобные и времениподобные компоненты сопровождается аналогичным разделением импульса — энергии на импульсноподобные и энергетическиподобные компоненты; при этом естественным образом возникает возможность существования частиц с нулевой массой покоя [153] Глава 12. Невозможность вечного двигателя второго рода ограничивает коэффициент полезного действия идеальных тепловых машин, преобразующих тепло в механическую работу, а также тепловых насосов, перекачивающих тепло от холодного резервуара к горячему с затратой механической работы. Операциональное определение необратимых процессов неизбежно приводит к понятию направления времени [163] Глава 13. Направление времени предстает глубокой загадкой ввиду его несовместимости с симметрией по отношению к обращению движения. Начальные состояния реально происходящих необратимых процессов практически никогда не являются результатом статистической флуктуации; поэтому аргумент о временной симметрии этих начальных состояний несостоятелен, и приходится заключить, что в приготовленных нами начальных состояниях по неизвестным нам причинам заранее заложена жесткая «программа» их неуклонного развития лишь в одном направлении [181] Глава 14. Понятия заряда и поля, первоначально введенные для систематизации большого числа электромагнитных явлений, привели в настоящее время к попыткам полного исключения из всех явлений понятия взаимодействия на расстоянии и замене его концепцией «поля», осуществляющего локальное взаимодействие между «зарядами». Обращается внимание на нерешенные вопросы, связанные с понятием заряда; например, существование лишь одного типа гравитационного заряда при наличии двух типов электрического заряда, отсутствие в природе магнитных монополей [192] Глава 15. Связь между электричеством и магнетизмом, открытая Эрстедом и Фарадеем, нашла свое наиболее полное воплощение в понятии электромагнитного поля; разложение его на электрические и магнитные компоненты зависит от состояния движения наблюдателя. Показано, что законы электромагнетизма не позволяют сделать заключение о том, что данный инерциальный наблюдатель находится в абсолютном покое [211] Глава 16. Симметрия по отношению к пространственному отражению считалась универсальным свойством законов природы до тех пор, пока в 1956 году не были обнаружены ядерные процессы, включающие так называемое слабое взаимодействие, в которых это свойство нарушается. В связи с указанной симметрией обсуждается также опыт Эрстеда [225] Глава 17. Закон сохранения заряда. Показано, что именно этот закон, в частности, подсказал Максвеллу идею о возможном возникновении магнитной циркуляции в результате изменения электрического потока. Развитие этой идеи привело Максвелла к предсказанию периодических электромагнитных явлений, распространяющихся в пространстве. Вычисленное значение скорости распространения оказалось в точности равным ранее измеренной скорости распространения света; таким образом, полностью подтвердилась электромагнитная теория света Максвелла [236] Глава 18. Вариационные принципы. Изучены предпосылки их возникновения в древности и продемонстрировано их «могущество» при описании движения всех видов материи, включая свет. В связи с этим снова возникает вопрос: что же именно распространяется в волновом процессе? Ответ на этот вопрос может быть дан с помощью понятия интерференции амплитуд вероятности [248] Глава 19. Интерференция амплитуд вероятности трактуется как черта, общая для всех возможных свойств материальных объектов. Указано, что понятие амплитуд вероятности можно использовать не только для описания состояния распространения фотона, но также и для описания его состояния поляризации. Именно последнее состояние ввиду его дихотомической природы особенно хорошо подходит для элементарного математического изложения явления интерференции [261] Глава 20. Понятие об уровнях энергии вводится в качестве ключевого пункта для расшифровки и систематизации атомных спектров; оно позволяет также построить полную классификацию состояний электрона в атоме с помощью четырех квантовых чисел [279] Глава 21. Принцип запрета Паули запрещает по неизвестным для нас причинам любой паре электронов находиться в состояниях с одним и тем же полным набором квантовых чисел. Этот принцип — одно из наиболее могущественных когда-либо открытых проявлений порядка в природе. Показано, в частности, что именно принцип Паули лежит в основе классификации химических элементов в периодической системе Менделеева [294] Глава 22. Понятие температуры трактуется обобщенно, включая и случай отрицательных температур. Это дает возможность сформулировать и применять фундаментальную теорему Больцмана, которая устанавливает характер заполнения уровней энергии в системе из большого числа физических объектов с конечным числом доступных энергетических уровней. Именно на этом этапе целесообразно ввести идею Эйнштейна о вероятности перехода для таких процессов, как спонтанное испускание света, а также индуцированное испускание и поглощение света [305] Глава 23. Иерархия так называемых элементарных частиц раскрывается в историческом аспекте, начиная с открытия супругами Кюри радиоактивности и ранних исследований Резерфорда по ядерной физике. Классификация разросшегося семейства так называемых элементарных частиц на лептонные безмассовые бозоны, мезоны и барионы приводит к появлению новых квантовых чисел и простых зависимостей в спектре масс частиц. Сделана попытка систематизировать существенные черты этого «субъядерного» мира, перечислив законы сохранения и границы их применимости [320] Глава 24. Законы сохранения и границы их применимости. Подчеркивается, что несмотря на многочисленные попытки связать законы сохранения с принципами симметрии, это связь еще не так прозрачна, как хотелось бы; природа большинства открытых к настоящему времени законов сохранения остается пока неясной [337] Приложение I. Понятие вероятности в физике, первоначально введенное как печальная необходимость, продиктованная ограниченными возможностями людей оперировать со слишком большим числом данных, оказалось заложенным в самом фундаменте здания физики. Это стало особенно очевидным, например, после открытия закона радиоактивного распада, сама формулировка которого требует понятия вероятности. В этом дополнении для удобства читателя собраны некоторые элементарные сведения из математической теории вероятностей [345] С аналогичной целью приведено и приложение II. Система комплексных чисел, имеющих многочисленные применения в физике, особенно при описании явлений интерференции [355] Литература [362] Дополнительная литература [367] |
| Формат: | djvu |
| Размер: | 5256259 байт |
| Язык: | РУС |
| Рейтинг: |
141
|
| Открыть: | Ссылка (RU) |