Законы природы (Пайерлс) 1962 год - старые учебники

Законы поля или действие на расстоянии 54

Электромагнетизм .  57

Индукция. Генератор и трансформатор 63

Окончательная формулировка законов 67

Электромагнитные волны 71

Энергия поля 76

Глава 3. Свет 79

Спектр. Интерференция. Волны 79

Дифракция, поляризация, скорость  . 85

Свет состоит из электромагнитных волн 89

Корпускулярная теория. Геометрическая оптика ... 91

Глава 4. Атомы и электроны 99

Химия и гипотеза об атомах .   99

Размеры атомов. Ионы 103

Электрон   107

Как устроен атом? 109

Почему электроны не падают на ядро?   113'

Многие факты можно * понять 114

Глава 5. Хаотическое движение атомов. Тепло как беспорядочное движение   117

Количество тепла. Тепло и беспорядок 117

Теплота и движение атомов 121

Достоверность и законы случая 126

Новые эксперименты и некоторые трудности 129

Твердые тела и жидкости .  133

Тепловое излучение   137

Глава 6. Теория относительности 141

Общие замечания 141

Движение и покой 144

Лорентцево сокращение 147

Как сравнивать длины и времена 150

Сложение скоростей 156

Механика быстро движущихся тел 157

Приложения и подтверждения теории 162

Принцип эквивалентности ......... 165

Общая теория относительности 168

Глава 7. Кванты, волны и частицы 173

Гипотеза квантов. Фотоны 173

Дифракция электронов. Стоячие волны 181

Переменная длина волны 186

Атом водорода 191

Частицы и волны 194

Принцип неопределенности 201

Глава 8. Свойства атомов 212

Водород и гелий ; 212

Другие легкие атомы. Принцип Паули 216

Момент количества движения 220

Эксперимент с пучком атомов. Спин 227

Электронные оболочки, ионные молекулы 232

Другие типы молекул 236

Твердые тела, металлы, жидкости 240

Прохождение через потенциальный барьер 248

Глава 9. Электроны при высоких скоростях 253

Отрицательные энергии. Трудности 253

Спин. Позитроны 257

Силы при больших скоростях. Другие трудности .... 262 Новые методы. Лэмбовский сдвиг 266

Глава 10. Атомное ядро   272

Радиоактивность. Альфа-распад 272

Волновая механика решает другой парадокс 277

Расщепление ядра .  280

Новое оборудование 282

Нейтроны, изотопы, дефект массы 287

Ядерные силы 291

Модель оболочек. Возбужденные состояния 296

Бета-лучи 298

Деление. Источники энергии 302

Глава II. Мезоны и другие новые частицы 309

Космические лучи и приборы для их изучения .... 309

Известные частицы 314

Мезоны 316

Теория Юкавы. Еще мезоны 320

Еще частицы. Открывается новая глава 328

Где мы остановились? 332

Список обозначений 340

ОТ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА

Книга Р. Е. Пайерлса «Законы природы» представляется нам в своем роде уникальной. Если по отдельным частным проблемам современной физики и существуют популярные книги, хоть и в небольшом количестве, то такой книги, которая давала бы в популярной форме представление о всей современной физике, до сих пор не было. Настоящая книга, написанная известным английским физиком-теоретиком Р. Пайерлсом, является первой книгой подобного рода. В ней в доступной для широких кругов читателей форме излагаются основные законы современной физики.

Автору при написании книги пришлось проделать колоссальный труд. Дело в том, что законы современной физики, как известно, для своей строгой формулировки требуют привлечения сложного математического аппарата. Р. Пайерлс в предлагаемой книге сделал попытку обойтись при формулировке законов физики без применения этого аппарата. Естественно, что при этом он смог дать только представление об основных законах физики и не мог дать тех количественных следствий из них, которые неизбежно требуют применения математики.

Следует отметить, что поставленную перед собой задачу автор, несомненно, выполнил успешно. Однако, учитывая сложность современной физики, необходимо иметь в виду, что не все разделы ему удалось довести до уровня общедоступных. Поэтому читателей не должны смущать случаи, когда те или иные места книги не будут поняты при первом чтении. Можно вместе с автором порекомендовать читателю вернуться к этим местам вторично после прочтения всей книги.

Следует иметь также в виду, что автор не ставил перед собой дели излагать историю тех или иных проблем

в физике. Из книги можно узнать лишь те представления, к которым физика пришла в настоящее время.

Книга, несомненно, окажется полезной для всех тех, кто интересуется современной физикой, но не работает непосредственно в этой области знания. Ее с интересом и пользой прочтут ученики старших классов, студенты вузов, лица, интересующиеся философией естествознания.

Перевод книги выполнен Л. П. Горьковым и И. Е. Дзялошинским.

И. М. Халатников

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА

Замысел этой книги возник после второй мировой войны, когда мне пришлось часто читать лекции об атомной энергии для различных аудиторий. При этом я столкнулся с тем фактом, что, кроме обычных вопросов о природе и опасности атомного оружия, всегда находились люди, интересовавшиеся основами физики. Как принцип неопределенности связан с тем или с этим? Почему атомное ядро не разваливается? Что такое мезон и какое отношение он имеет к ядерным силам, если энергия ядра недостаточна, чтобы он фактически образовался?

Очевидно, некоторые слушатели были заражены той самой научной любознательностью, которая побуждает ученого исследовать тайны природы, и у меня возникло желание ответить на их вопросы. Стремиться к познанию законов природы является долгом ученого перед обществом. Его работа и состоит в том, чтобы найти ответ, когда он стал насущной необходимостью. Приятно в то же время передавать свои знания людям, которые к ним стремятся.

Однако ясно, что в этом деле трудно преуспеть за те несколько минут в конце лекции, которые отводятся обычно для ответов на вопросы. Вопрос может затрагивать квантовую теорию, знакомство с которой трудно предполагать у спрашивающего. И если бы даже и было время на изложение основ квантовой теории, при этом все равно пришлось бы подразумевать у спрашивающего некоторые

познания об атомах или волнах, иначе ответ на один вопрос превратился бы в целый курс лекций. В то же время я заметил, что в некоторых случаях, когда ответ можно дать, не слишком углубляясь в обсуждение исходных пунктов, это удается сделать простым языком и без математики. Действительно, я неоднократно убеждался, что, излагая свои доводы по возможности просто, избегая технических терминов, я помогал самому себе уяснить их гораздо лучше, чем если бы я пользовался их математической формулировкой.

Это навело меня на мысль попытаться изложить основы современной физики простым языком, в форме, не предполагающей никаких предварительных знаний. Мой опыт убедил меня как в возможности осуществить это в разумных границах, так и в том, что мои собственные представления станут после этого более ясными для меня самого. В справедливости последнего я уже убедился, прав ли в остальном — предоставляю судить читателю.

Я стремился сделать книгу понятной для неспециалиста. У читателя не предполагается никаких особых познаний в науке, хотя имеющему некоторое знакомство с физикой будет легче следить за изложением. Это касается прежде всего двух первых глав. Поскольку механика и электричество знакомы многим читателям, я приводил все относящиеся сюда аргументы более подробно, с тем чтобы дать примеры типичных физических рассуждений, которые в следующих главах я уже был вынужден излагать более поверхностно. Может быть поэтому некоторым читателям, не привыкшим к образу мыслей физика, отдельные места в первых двух главах покажутся несколько запутанными. Я посоветовал бы им возвращаться к этим пунктам и перечитывать их, когда они в последующих главах встретятся с вопросами, затрагивающими основы механики или электричества.

Вероятно, найдутся также читатели, знакомые с математикой в большем объеме, чем я ее использовал в книге, однако небольшое увеличение числа математических выкладок едва ли помогло бы делу, если у читателей нельзя предположить знания дифференциальных уравнений. Тем из них, у кого познания в математике простираются достаточно далеко, следовало бы предпочесть более специальную книгу. Но, как я убедился, даже студентам-физикам не вредно познакомиться с аргументами, изложенными в простой описательной форме, и я неоднократно с успехом использовал в факультативных лекциях для студентов некоторые примеры, выработанные мною в процессе написания этой книги.

Я считал бы труд, затраченный на написание книги, полностью вознагражденным, если мне удалось, пусть даже очень бегло, показать читателю, совсем не знакомому с наукой, цели, методы и умозаключения ученого. В наши дни преобладания специального образования можно услышать о типе ученого или инженера, духовные интересы которого ограничены узкой областью, и в чьем образовании полностью пренебрегалось общечеловеческими ценностями, включая искусство и гуманитарные науки. Вполне возможно, такой тип действительно существует, хотя он был бы совершенно не похож на большинство знакомых мне ученых и инженеров. Однако я уверен, что существует также другая крайность, именно человек, чье воспитание ограничивалось искусством и гуманитарными науками и чьи интересы далеки от естественных наук. Действительно, найдется достаточно много педагогов, считающих, что естественные науки не имеют большого воспитательного значения. В своих намерениях увеличить объем знаний, сообщаемых студентам на гуманитарных факультетах, они ограничиваются стремлением включить такие предметы, как историю науки,

философию науки, считая их изучение делом более респектабельным, чем изучение самих естественных наук. Возможно, что это и привлекательные предметы, но я не верю, чтобы изучение их было полезным, если студенты не понимают основ самих естественных наук. Это напоминает попытки преподавать историю искусства человеку, который никогда не видел ни одной картины, или теорию музыки глухому. Я не сомневаюсь поэтому, что в любой попытке ввести некоторые аспекты естественных наук в систему гуманитарного образования был бы целесообразен подход, который я выбрал в этой книге.

Уже имея перед собою законченную рукопись, я полностью отдавал себе отчет, как много важного мною опущено. Кроме ограничений, накладываемых самой темой, объем книги не позволил мне дать описание многих деталей физических приборов и коснуться многих практических вопросов, о которых мы всегда должны помнить, поскольку занимаемся экспериментальной наукой. Я, надеюсь, не позволил читателю забыть, что путь, по которому мы пришли ко всем нашим заключениям, зависит от опытного познания и экспериментирования, хотя эта книга и не дает картины действительной жизни экспериментатора и всего происходящего в его лаборатории. Поэтому некоторые из моих коллег, для которых наибольший интерес в физике лежит в области конструирования и использования новых остроумных приборов, может быть найдут, что основное ударение в моей книге сделано не там, где нужно.

Кроме того, развитие идей приходилось изображать значительно более прямым, чем это было исторически. Я мог описать лишь идеи, которые подтверждены экспериментом в своей первоначальной форме, и не упоминал о тех гораздо более многочисленных, которые опровергнуты или оказались неконструктивными и были впо

следствии оставлены. Точно так же я не мог и пытаться передать чувства человека, наблюдающего, как растут и подтверждаются эти новые идеи,— чувства, хорошо описанные в недавних рейтовских лекциях доктором Дж. Р. Оппенгеймером, которого, напротив, многие критики порицали за то, что он не сделал того, что попытался сделать в этой книге я.

В заключение я хотел бы поблагодарить всех, чьим должником я являюсь. Мысли, содержащиеся в этой книге, никоим образом не новы и не принадлежат лично мне, они представляют собой обычное вооружение из арсенала современного физика. Я не смог бы их изложить, не вспоминая многих моих учителей, в том числе, Гейзенберга, Паули и прежде всего Нильса Бора, а также многочисленных коллег, которые помогли мне познакомиться с предметом и достичь некоторой степени понимания. Многие мои друзья, молодые и старые, помогли мне, согласившись быть своего рода «морскими свинками», на которых я испытывал отдельные части книги; все они делали ценные замечания. Я хотел бы также выразить свою признательность профессору Ланселоту Ходжбену за конструктивную критику.