В этой главе мы, в основном, будем рассматривать те эксперименты, результаты которых привели к необходимости пересмотреть основы классической физики и создать новую науку — квантовую физику.
Классическая физика вошла в нее как часть. Далее мы рассмотрим основные положения квантовой физики и довольно кратко изложим основные результаты ее применения к микромиру — атомную и ядерную физику.
Специальная теория относительности, созданная Эйнштейном в 1905 году, по своему основному содержанию может быть названа физическим учением о пространстве и времени.
Физическим потому, что свойства пространства и времени в этой теории рассматриваются в теснейшей связи с законами совершающихся в них физических явлений.
Термин «специальная» подчеркивает то обстоятельство, что эта теория рассматривает явления только в инерциальных системах отсчета.
Ясно, что природа этой силы не электростатическая, так как при выключении тока взаимодействие исчезало. Поэтому это новое поле назвали магнитным. Такое название связано с тем, что Эрстед в 1820 году обнаружил влияние тока на магнитную стрелку.
В опыте Эрстеда при включении тока стрелка, находящаяся под прямым бесконечным током, располагалась перпендикулярно току. Если изменить направление тока в проводе, то стрелка повернется на 180°. Из этого следовало, что магнитное поле имеет направленный характер и должно характеризоваться векторной величиной.
Итак, движущиеся заряды создают вокруг себя магнитное поле, которое проявляется в действии силы на попадающие в это поле движущиеся заряды.
В настоящее время известно, что в основе всего разнообразия явлений природы лежат четыре фундаментальных взаимодействия между элементарными частицами – сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное.
Каждый вид взаимодействия связывается с определенной характеристикой частицы. Например, гравитационное взаимодействие зависит от масс частиц, электромагнитное – от электрических зарядов.
С точки зрения современной физики свет в одних явлениях ведет себя как электромагнитная волна (ЭМВ), в других явлениях – как частица. В этом разделе физики (оптика) изучается свет как ЭМВ.
В любой ЭМВ есть электрическая Е и магнитная Н составляющие. Как показывает опыт, на человека влияние оказывает лишь электрическая составляющая ЭМВ. Поэтому далее будет основное внимание уделяться именно ей.
В механике рассматриваются движения материальных тел, свойства которых могут быть смоделированы в виде понятий материальной точки или абсолютно твердого тела (АТТ). При этом не учитывается внутренняя структура и внутренние движения тел. Это можно сделать не всегда. Особенно важно учитывать эти внутренние движения при взаимодействии тел, которые находятся в разных агрегатных состояниях (твердое, жидкое, газообразное, плазма).
Поэтому данный раздел физики - молекулярная физика - будет создавать модели материальных тел, которые будут включать совокупность атомов и молекул, свойства, законы движения и взаимодействия которых известны.
Физика - есть наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, и законы ее движения.
Основной метод изучения природы - экспериментальный. Это значит, что ученый выявляет с помощью измерений связь между различными физическими величинами, которые мы вводим для описания окружающей нас среды.
Затем ученые переводят все это на язык математики: формируется математическая модель данного физического явления. Кроме этого метода, существуют еще два - теоретический и получивший в последнее время широкое распространение метод компьютерного моделирования. Все они дополняют друг друга.
Поэтому задача физики состоит в том, чтобы создать в нашем сознании такую картину физического мира, которая наиболее полно отражает свойства его и обеспечивает такие соотношения между элементами модели, какие существуют между элементами внешнего мира.
В книге сделана оригинальная попытка создать лабораторный практикум, соответствующий духу современных физических исследований, на базе современных электронных методов наблюдений и измерений.
При создании практикума авторы исходили из того, что значительную часть теоретических вопросов можно объяснить с помощью аналогий и что именно такой метод изложения лучше всего подходит для лабораторного курса. Поэтому настоящий физический практикум в сильной степени отличается от других практикумов, созданных под влиянием исторически сложившихся традиций и методов проведения курсов.
Идейно связанная с пятым томом Беркелевским курсом физики, книга по существу является его составной частью. Она может оказаться хорошим источником лабораторных работ для других курсов как в университетах, так и в технических вузах.
Изложены основные квантовомеханические идеи, тщательно обоснован принцип неопределенностей, рассмотрены теория Шредингера и проблема элементарных частиц и их взаимодействий. Приведено большое число примеров и задач.
Книга представляет собой пятый том курса общей физики, созданного преподавателями Калифорнийского университета в Беркли.
Особенность книги в том, что вопросы статистической физики, кинетики и термодинамики рассмотрены в конце курса, а не после механики, как обычно. Это делает изложение более строгим, интересным и наглядным, позволяет оперировать с разными простыми системами, как, например, идеальный газ и система нескольких спинов в магнитном поле.
В книге приводится большое количество примеров и задач.