《后费曼物理学讲义》是对大学物理教学的一次革新,是继《费曼物理学讲义》之后的又一次有益尝试。
本讲义以整体统一的观点阐释整个物理世界,易于理解,且富有启发。全书不仅探讨物理理论基础,从牛顿力学、麦克斯韦电磁理论、爱因斯坦相对论直到粒子物理、宇宙学以及超弦,还介绍了新的物理发现:引力透镜、黑涧、石墨烯、超重核、玻色一爱因斯坦凝聚、中微子振荡,以及希格斯玻色子和引力波的发现。
本讲义彻底打破了传统教材体系,物理学不再被人为地割裂成一个个专题,不再满足于讲述发现史上的一颗颗珍珠,寻觅各个分支中的一块块钻石,而是将这些发现和成果镶嵌成一顶美轮美奂的物理学皇冠。
倘若一个人想在较短时间内洞悉物理学全貌,《后费曼物理学讲义:基础物理的启发之旅》是一本极好的教材,或许还是现有的一本教材。
让我们开启基础物理学的启发之旅吧!
我的许多朋友,尽管智力上乘,接受过最好的高等教育,在各自专业领域取得过令人敬佩的成就,但是他们的几何知识停留在2 300年前的欧几里得《几何原本》;他们对时空的认识停留在300年前的牛顿绝对空间、绝对时间;他们对物质的认识停留在100年前玻尔的原子论。当我与他们讲述起非欧几何、广义相对论或量子诠释时,他们或将我看作怪人,或将我看作圣人。究其根源,在于国内的大学物理或者普通物理教材,在数十年中虽有改进,但没有彻底革新,以至于他们谈到现代物理学时,只知道夸克、黑洞和纠缠这样一些名词,至多再加上一些从科幻小说或电影中来的不正确知识。事实上,真正的教育家懂得教学的目的,不仅是增加就业机会,还在于提升受教育者的学识、道德修养和工作能力。物理教学的目的,还在于使受教育者保持对世界的好奇心,勇于探索自然的奥秘。
物理科学的知识指数式地增长,面对浩瀚的知识海洋,人们未免会感到学得太慢,老得太快。如何能进入现代物理领域是一个紧迫的问题,要找到一本理想的教材并非易事。流行的费曼讲义的内容不够现代化,朗道和栗弗席茨教程又偏颇于理论。作为无垠宇宙无数个体中的一个,以一己之力去体验或了解宇宙的本源,难免会有些自不量力。循着历史轨迹,亦步亦趋,循序前进,也绝非佳法。除少数异禀者,大部分人难以进入现代物理王国,很可能成为倭仁式的腐儒,皓首穷《太上感应篇》一经。我们需要对物理教学进行改革,首先要对教材进行改革。我们需要一本既简明又全面,既重理论又涉及实验与观测,而且用全局观叙述物理的教材。《后费曼物理学讲义:基础物理的启发之旅》是这样一本理想教材的候选者,这是一本可供综合性大学、理工科大学和师范院校的通用教材。它以最小作用量原理作为主线,串联起牛顿力学到今日物理的整个物理学。它也讲述了大量的发现过程,包括当代的宇宙微波背景观测,希格斯粒子和引力波的发现。
《后费曼物理学讲义:基础物理的启发之旅》,石破天惊,彻底打破了传统教材体系,物理学不再被人为地割裂成一个个专题,不再满足于讲述发现史上的一颗颗珍珠,寻觅各个分支中的一块块钻石,而是将这些发现和成果镶嵌成一顶美轮美奂的物理学皇冠。作为一个整体来讲述物理学好处极多。比如,将牛顿力学的场论描述安排在电磁理论之后,那么引力场自然而然成了静电学的类比了。又比如,诸如苯环那样的分子结构也可以纳入最小作用量原理讲述,足以使科学功利主义者汗颜。再比如,宇宙基本特性之一,引力的逆平方律,尽管牛顿猜出了它,但只是作为一条经验定律,然而,本书用浅显的几何学导出了它,不得不使人感叹物理学之美,《后费曼物理学讲义:基础物理的启发之旅》安排之巧。瞎子摸象,不会得到象的整体形象。物理学本身是一个整体,整体就得用整体的方法讲述,决不能急用先学,那不可能一通百通。
在科幻影片盛极一时那些日子里,黑洞潮汐曾引起众人的关注,而不少学者不经意间对潮汐力说错了话。这与我国的传统教材有关,中学以后的任何课程不再讲述自由落体。事实上,两个自由落体不仅有向下的加速度,它们之间还存在相对加速度。《后费曼物理学讲义:基础物理的启发之旅》用一个简单的图示,就阐明了潮汐力,并用拉普拉斯方程的解做出了定量计算。学习物理是为了明白物之理,使自己变得潇洒和从容,拥有一份与他人无干,只有自己领悟的快乐。将《后费曼物理学讲义:基础物理的启发之旅》作为精读教材,会使人多一点恬静,少一点狂躁;多一点自由,少一点功利;多一点善自珍摄,少一点投机取巧。
400多年前,伽利略在帕多瓦将望远镜指向了月球,这个事件标志着近代科学的开始。科学为何发端于西方是一个见仁见智的问题。中国古代有各种各样的科学活动,如在天文学、数学、气象学、地震学和医学等领域的研究,但是中国古代社会没有为“科学而科学”的纯科学留下空间。古代中国的司天监归属礼部,司法机构称为刑部,其中端倪,不难看出一二。尽管我们无法回答下述问题:近代科学发生于西方,究竟是历史命运的顿挫,还是地缘乾坤的定数?但是,我们明确知道功利主义对现今社会十分有害,所以极力提倡用《后费曼物理学讲义:基础物理的启发之旅》作为大学本科的通才教育的教材,为了让学子心中留下一点纯科学的空间。
本书在翟向华教授、奚萍副教授和李平、林瑞辉两位博士的齐心协力下,我们在译文上花费了大量精力,想必会得到广大读者的喜爱。鉴于本书硕大的篇幅、广博的题材,又限于我们的学识,谬误之处难免,望读者指正。
曼顿和米都取名尼古拉斯,即希腊语中的胜利者。确实如此,他们已在物理教材革命中取得了一场大胜利。他们说,撰写本书是人生一大幸事;我们也说,翻译本书何尝不是人生一大乐事呢?
[英]尼古拉斯·曼顿(Nicholas Manton),剑桥大学应用数学和理论物理系教授,研究主要集中在粒子和核物理,特别是孤子理论和应用。他是英国皇家学会会员,曾获得伦敦数学学会颁发的怀特海奖。
[英]尼古拉斯·米(Nicholas Mee),剑桥大学理论粒子物理学博士。他是软件公司Virtual Image的主管,在许多科学和艺术项目中发挥了关键作用。著有科普图书《希格斯力:宇宙对称的破裂》和《引力:破解宇宙密码》。
李新洲,曾任复旦大学、华东理工大学、上海师范大学教授,上海师范大学天体物理中心主任。他是一位在国内学术界有较大影响力的理论物理学家,同时热心科普工作,著有《时空的密码》《物理学的统一之路》等,译有《相对论的意义》《黑洞战争》《不论:科学的极限与极限的科学》《相对论之路》等。
引言
第1章 基本概念
1.1 变分原理
1.2 欧几里得时空
1.3 偏微分
1.4 e,π和高斯型积分
1.5 拓展阅读材料
第2章 物体的运动
2.1 引言
2.2 牛顿运动定律
2.3 最小作用量原理
2.4 多体运动与牛顿第三定律
2.5 3维空间中的单体运动
2.6 中心力
2.7 逆平方律的吸引力
2.8 G与地球质量
2.9 组合体和质心运动
2.10 开普勒2体问题
2.11 拉格朗日点
2.12 能量守恒
2.13 摩擦力和耗散
2.14 拓展阅读材料
第3章 场
3.1 场
3.2 标量场方程
3.3 波
3.4 散度和旋度
3.5 电磁场和麦克斯韦方程
3.6 静电场
3.7 电磁波
3.8 静磁学
3.9 电磁场的最小作用量原理
3.10 洛伦兹力
3.11 场的能量与动量
3.12 粒子与场的动力学
3.13 拓展阅读材料
第4章 狭义相对论
4.1 引言
4.2 洛伦兹变换
4.3 相对论性动力学
4.4 关于4矢量的更多讨论
4.5 麦克斯韦方程的相对论特征
4.6 相对论性最小作用量原理
4.7 拓展阅读材料
第5章 弯曲空间
5.1 球面几何
5.2 非欧双曲几何
5.3 高斯曲率
5.4 黎曼几何
5.5 张量
5.6 黎曼曲率张量
5.7 测地线方程
5.8 应用
5.9 拓展阅读材料
第6章 广义相对论
6.1 等效原理
6.2 牛顿引力场和潮汐力
6.3 闵可夫斯基空间
6.4 弯曲时空几何学
6.5 引力场方程
6.6 广义相对论的经典测试
6.7 爱因斯坦方程的史瓦西解
6.8 粒子在史瓦西时空中的运动
6.9 史瓦西时空中的光线偏折
6.10 史瓦西内部解
6.11 黑洞
6.12 引力波
6.13 爱因斯坦-希尔伯特作用量
6.14 拓展阅读材料
第7章 量子力学
7.1 引言
7.2 量子力学中的位置与动量
7.3 薛定谔方程
7.4 波函数的诠释——可观测量
7.5 期望值
7.6 测量之后
7.7 不确定关系
7.8 散射与隧道
7.9 量子力学中的变分原理
7.10 拓展阅读材料
第8章 3维量子力学
8.1 引言
8.2 位置和动量算子
8.3 角动量算子
……
第9章 原子、分子和固体
第10章 热力学
第11章 核物理
第12章 粒子物理
第13章 恒星
第14章 宇宙学
第15章 物理学前沿
图片来源注解
术语索引
人名索引