ПРЕДИСЛОВИЕ

Что же такое физическая реальность? Что приводит в движение Вселенную? Что представляют собой «загадки» природы? Та­ковы проблемы, определяющие направлен­ность и дух данной книги. Она предназначена в первую очередь как пособие для студентов со слабой предварительной подготовкой по математике и физике. Но она должна быть на первых порах полезна и студентам кол­леджей, специализирующимся по физике.

Основное внимание в книге уделено тем главным принципам или фундаментальным законам, на которых покоится вся наука. Предмет изложения, собственно, представ­ляет собой часть обширного собрания различ­ных разделов, называемых физикой. Таким образом, это еще один учебник для коллед­жей, причем в нем поверхностно изложены более прикладные разделы, по традиции при­числяемые к физике. Очень немного, к при­меру, говорится о машинах, вращательной динамике, фотометрии, оптических приборах, теории переменного тока, калориметрии, тео­рии упругости, акустике и т. д. Ограничив книгу основами физики, мы тем самым су­зили предмет изложения, получив воз­можность более глубоко рассмотреть за­тронутые вопросы. Основным исключением является гл. 9, в которой довольно подробно изложена электроника, что позволяет разъяс­нить основные принципы радио и телевиде­ния и дать представление об огромном зна­чении для техники понимания основных законов природы. Те, кто питает отвраще­ние к изучению инженерных вопросов, могут опустить эту главу.

По своей природе физика в самой основе — глубоко философская наука. Она отражает непрерывную борьбу человеческого разума с природой, полную самых неожиданных открытий, с которыми люди должны сообра­зовывать затем свою деятельность. Эту борьбу заманчиво преподнести студентам гуманитар­ных специальностей в историческом и фило­софском аспектах. При этом, однако, часто впадают в ошибку, рассказывая студентам о науке, вместо того чтобы учить их самой науке. В результате студент не получает реального представления о физическом мире, в котором он живет. «Образованный» человек должен быть знаком с обоими аспектами. В идеале он должен приобретать знания в науке и познавать ее связи с другими дис­циплинами в курсах философии. Однако подобный «гуманитарный подход» можно без ущерба для дела использовать во вводном курсе физики, коль скоро основное внимание уделяется изучению самой науки. Поэтому в книге известное внимание уделено влиянию науки на нашу культуру. Наряду с науч­ными методами и «искусством» научных открытий в ней обсуждаются философская, социальная и политическая стороны связи науки с нашей культурой. Однако эти воп­росы играют второстепенную роль по срав­нению с изложением предмета самой науки. Мы использовали увлекательные стороны и культурную ценность эпизодов из истории физики, где это соответствовало основной цели изложения. Показателем того, насколь­ко успешно студент усвоил материал, служит его способность решать задачи, требующие некоторого размышления. Мой опыт исполь­зования значительной части материала этой книги и ее задачи в курсах для колледжей, читавшихся в Колумбийском и Корнеллском университетах, убеждает, что студенты гума­нитарных специальностей способны постичь основные принципы науки. Об этом свиде­тельствует их умение применять эти прин­ципы к решению задач.

Порядок изложения материала опреде­лялся главным образом моими индиви­дуальными соображениями педагогического характера. Кое-где обсуждение проблем современной физики опережает классические или доклассические варианты. Я старался, как правило, избежать такой последователь­ности: изложить предмет в соответствии со старыми представлениями, сообщить студен­там, что сейчас это неверно, затем заставить их забыть все старое и переучить на новый лад. Если встречается новый раздел, то сна­чала он обычно приводится в окончательном варианте. Тогда с современных позиций сту­дент сможет более полно познакомиться и усвоить различные старые представления. Порядок размещения разделов определялся не традицией, а требованием более сжатого логического изложения. Так, явление про­никновения через барьер, носящее весьма общий характер, в тексте впервые встре­чается в связи с обсуждением автоэлектрон­ной эмиссии из металла. Это обсуждение связано с предшествующим рассмотрением энергии Ферми, связи в металле, кривых потенциальной энергии, которое в свою очередь зависит от знакомства с такими вопросами, как электронные волны в ящике, электронное облако в атоме, электрический потенциал. Возвращаясь еще дальше в логи­ческой последовательности, мы встречаемся с корпускулярно-волновым дуализмом, ин­терференцией волн, теорией электричества, энергией, механикой и т. д. Таким образом, большая часть этой книги отведена основным звеньям логической последовательности изло­жения. Вследствие компактной, единой тео­ретической структуры физики многие главы не соответствуют ранее принятой последова­тельности разобщенных и «независимых» раз­делов в традиционных учебниках. Я не смог ограничить содержание глав строго опреде­ленными рамками и разделить главы как бы непроницаемыми перегородками. Некоторым может показаться проще и последовательнее излагать классическую физику именно в та­кой манере, однако это противоречило бы самой природе. Я пытался излагать истинное положение вещей: в книге откровенно гово­рится о недостатках и ограниченности пред­ставлений современной физики.

Кроме того, я старался не скрывать, что для современного описания большинства физических явлений необходима квантовая теория. Благодаря развитию квантовой электродинамики достигнут огромный про­гресс в понимании явлений физического мира и строения вещества. Учащихся кол­леджей, насколько это возможно, следует знакомить с современными представлениями.

Некоторым преподавателям физики может показаться, что такие вопросы, как элект­ронное облако, квантовая теория химиче­ской связи, энергия Ферми, замедление хода времени, строение ядра, космология и сохра­нение четности, чересчур трудны и абстрактны для усвоения. Однако мой опыт преподавания такого курса на протяжении последних шести лет показывает, что студенты гуманитарных специальностей с большим трудом усваивают третий закон Ньютона, нежели энергию Ферми или инвариантность относительно зарядового сопряжения. Заканчивая курс, они не только хорошо чувствуют современ­ную физику, но и оказывают ей значительное предпочтение по сравнению с классической.

В заключение я хочу поблагодарить моих коллег в Корнелле за их поддержку, и осо­бенно профессоров Роберта Спрулла, Филиппа Моррисона, Джона Де-Вайра и Ричарда Фейнмана за полезные советы. Многие любезно предоставили в мое распо­ряжение имевшиеся у них иллюстрации, подбор которых для книги вряд ли оказался бы под силу одному человеку. Ким Чой из Корнелла помог мне рассчитать элект­ронные облака атома водорода и ядерное облако дейтерия. Я благодарен Френсису Шрэгу и многим другим студентам за вне­сенный ими большой вклад в первое издание этого учебника.

Я в неоплатном долгу перед Энрико Ферми, который не только сообщил мне боль­шую часть моих познаний по физике, но и научил методам ее изучения. Как преподава­тель Ферми был хорошо известен своей заме­чательной способностью предельно просто и ясно излагать самые трудные вопросы. Он достигал этого прямым путем, очень мало прибегая к математике и обращая основное внимание на физическую сущность явлений. В этой книге я пытался передать характер и увлекательность физики так, как это мог бы сделать Ферми.

Джей Орир

Сентябрь 1960 г.

**