Второе издание учебника в некоторых местах существенно переработано и значительно дополнено, вследствие чего объём его заметно увеличился. В связи с этим я считаю необходимым подчеркнуть, что вовсе не следует весь материал, помещённый в учебнике, рассматривать как обязательный для курса физики физико-математических факультетов.
Всё то, что, по моему мнению, нельзя рассматривать как обязательный материал, напечатано мелким шрифтом (*), и может быть опущено при работе над книгой (во всяком случае при первом чтении). При этом я стремился к тому, чтобы эти пропуски не нарушали последовательности изложения и не затрудняли чтения книги.
В 1789 г. Гальвани открыл физиологическое действие тока. Зацепив медным крючком поясничные нервы свежепрепарированной лягушки и повесив её на железные перила балкона, он заметил, что каждый раз, когда перила приходили в соприкосновение с мышцами лягушки, мышцы сокращались.
Хотя в то время было уже известно, что сокращение мышц происходит при разряде через них наэлектризованных тел, тем не менее долгое время не было установлено единство электрических явлений, и принято было разделять “электричество гальваническое” и электричество, получаемое трением.
Лишь в начале XIX в. появился ряд крупных открытий, обнаруживших чрезвычайное разнообразие электрических явлений: были изучены условия возникновения электрического тока, установлено тепловое и магнитное действие тока, выяснена роль диэлектриков и т. д.
Вторая половина XIX в. ознаменовалась дальнейшим бурным развитием учения об электричестве. В результате работ Фарадея и Максвелла было установлено единство электромагнитных явлений, открыты электромагнитные волны и создана электромагнитная теория света.
Физика изучает наиболее общие формы движения материи (механические, тепловые, электромагнитные и т. д.) и их взаимные превращения. Изучаемые физикой формы движения присутствуют во всех высших и более сложных формах движения (в химических, биологических процессах и др.) и неотделимы от них, хотя и никоим образом не исчерпывают их.
Так, открытому физикой закону всемирного тяготения подчиняются все известные тела земные и небесные, независимо от того, являются ли они химически простыми или сложными, живыми или мертвыми.
Установленному физикой закону сохранения энергии подчиняются все процессы, независимо от того, носят ли они специфический химический, биологический и т. д. характер. Высшие, более сложные формы движения являются предметом изучения других наук (химии, биологии и др.).
В этой книге собрано несколько сот задач, которые предлагались студентам Калифорнийского технологического института (США), слушавшим лекции Р. Фейнмана по физике. Задачи эти самые разные, но тот, кто внимательно читал русское издание «Фейнмановских лекций по физике», может с ними справиться самостоятельно.
Разумеется, эти задачи, хотя они и задуманы как дополнение к «Лекциям», могут быть использованы и независимо от них. В настоящем издании к каждому разделу даны также и решения.
На первый взгляд вам может показаться, что обладающий небольшой энергией электрон с превеликим трудом протискивается через твёрдый кристалл. Атомы в нем уложены так, что их центры отстоят один от другого лишь на несколько ангстрем, а эффективный диаметр атома при рассеянии электронов составляет примерно 1Å или около этого.
Иначе говоря, атомы, если их сравнивать с промежутками между ними, очень велики, так что можно ожидать, что средний свободный пробег между столкновениями будет порядка нескольких ангстрем, а это практически равно нулю.
Следует ожидать, что электрон почти тотчас же влетит в тот или иной атом. Тем не менее перед нами самое обычное явление природы: когда решетка идеальна, электрону ничего не стоит плавно пронестись сквозь кристалл, почти как сквозь вакуум. Странный этот факт — причина того, что металлы так легко проводят электричество; кроме того, он позволил изобрести множество весьма полезных устройств.
Фейнмановские лекции по физике подходят к концу. Настоящий, восьмой, и следующий, девятый, выпуски, составляющие третий том американского издания, завершают курс и приводят читателя к идеям и задачам современной квантовой механики.
Квантовая механика считается трудной наукой. И это правда: ее методы и понятия еще очень далеки от наглядности. Чтобы рассказать о ней понятно и увлекательно, надо совмещать талант педагога и большой опыт исследователя.
Обычно барьером к изучению квантовой механики служит ее математический аппарат. Чтобы научиться решать квантомеханические задачи, надо знать дифференциальные уравнения в частных производных, свободно обращаться со специальными функциями и уметь делать многое другое.
Мы закончили изучение основных законов электричества и магнетизма и теперь можем заняться электромагнитными свойствами вещества.
Начнем с изучения твердых тел, точнее кристаллов. Если атомы в веществе движутся не слишком активно, они сцепляются и располагаются в конфигурации с наименьшей возможной энергией.
Если атомы где-то разместились так, что их расположения отвечают самой низкой энергии, то в другом месте атомы создадут такое же расположение. Поэтому в твердом веществе расположение атомов повторяется.
Петли с током, или магнитные диполи, не только создают магнитные поля, но и сами подвергаются действию силы, попав в магнитное поле других токов.
Рассмотрим сперва силы, действующие на прямоугольную петлю в однородном магнитном поле. Пусть ось z направлена по полю, а ось y лежит в плоскости петли, образующей с плоскостью xy угол θ (рис. 15.1). Тогда магнитный момент петли, будучи нормальным к ее плоскости, образует с магнитным полем тоже угол θ.
Этим выпуском мы начинаем печатание перевода второго тома лекций, прочитанных Р. Фейнманом студентам второго курса. Весь материал второго тома составляет 42 главы и займет три выпуска русского издания (5–7).
Основное содержание этих глав-лекций — электричество, магнетизм, физика сплошных сред. Остальные лекции, в которых рассказывалось о квантовой механике, составили третий том и войдут в русском издании в вып. 8 и 9. Кроме того, вышли три тетради задач по курсу (по тетради к каждому тому). В нашем издании они составят дополнительный выпуск: «Задачи и упражнения».
С этой главы мы начнем изучение новой темы, которая займет у нас довольно много времени. Мы начнем анализ свойств вещества с физической точки зрения. Зная, что вещество построено из большого числа атомов или каких-то других элементарных частей, взаимодействующих электрически и подчиняющихся законам механики, мы постараемся понять, почему скопления атомов ведут себя именно так, а не иначе.
