费恩曼物理学讲义（第1卷）

世界上有两种天才，一种是“普通的”天才，一种是如魔术师般“神奇的”天才。只要你我再聪明几倍的话，就可以比得上普通的天才。而如魔术师般神奇的天才就不一样了，他们的心思到底怎样在运作，我们是无论如何也无法理解的，分析他们的思想就像要看穿魔术师怎样变戏法一样困难。所以，在外人看来，“神奇的”天才都是那些言语荒诞、行为古怪、智慧超凡的“鬼才”。而理查德·费曼可以说是人类历史上千年才难得出一个的科学鬼才。 费曼被很多物理学家誉为上个世纪继爱因斯坦之后最伟大的实证物理学家，在他研究生刚毕业时，就参与了美国制造第一枚原子弹的曼哈顿计划，后来，他又在美国加州理工学院任教约40年，并在1965年获得了诺贝尔物理学奖。 不过，令这位物理学家声名远扬的远远不止这些，他的邦戈鼓艺高超，甚至能顶替职业鼓手上场表演，他还可以像一位真正的画家一样卖掉自己的作品，他是撬保险柜的专家，他喜欢在无上装酒吧里研究科学问题。总之，他的才华，他的幽默，他的率性而为的恶作剧，令他的一生多姿多彩。同时，他的成长和他的成就，也包含了许多的启示。

20世纪60年代初，美国一些理工科大学鉴于当时的大学基础物理数学与现代科学技术的发展不相适应，纷纷试行教学改革，加利福尼亚理学院就是其中之一。该校于1961年9月至1963年5月特请著名物理学家费恩曼主讲一二年级的基础物理课，事后又根据讲课录音编辑出版了《费恩曼物理学讲义。本讲义共分三卷，第1卷包括力学、相对论、光学、气体分子运动论、热力学、波等，第2卷主要是电磁学，此外还有性、流体的流动及弯曲空间等内容，第3卷是量子力学。全书内容十分丰富，在深度和广度上都超过了传统的普通物理教材。 当时美国大学物理教学改革试图解决的一个主要问题是，基础物理教学应尽可能反映近代物理巨大成就。《费恩曼物理学讲义》在基础物理的水平上对20世纪物理学的两大重成就——相对论和量子力学做了系统的介绍，对于量子力学，费恩曼教授还特地准备了套适合大学二年级水平的讲法。教学改革试图解决的另一个问题是按照当前物理学工作者在各个前沿研究领域所使用的方式来介绍物理学的内容。在《费恩曼物理学讲义》一书中对一些问题的分析和处理方法，反映了费恩曼自己以及其他在前沿研究领域工作的物理学家所通常采用的分析和处理方法。全书对基本概念、定理和定律的讲解不仅生动清晰、通俗易懂，而且特别注重从物理上做出深刻的叙述。为了扩大学生的知识面，全书还列举了许多基本物理原理在各个方面(诸如天体物理、地球物理、生物物理等)的应用，以及物理学的一些最新成就。由于全书是根据课堂讲授的录音整理编辑的，它在一定程度上保留了费恩曼讲课的生动活泼、引人入胜的独特格。 《费恩曼物理学讲义》从普通物理水平出发，注重物理分析，深入浅出，避免运用高深烦琐的数学方程，因此具有高以上物理水平和初等微积分知识的读者阅读起来不会感到十分困难。至于大学物理系的师生和物理工作者更能从此书中获得教益。为此我们特将此书译成中文，以飨读者。 原书第一版发行后，深受广大读者欢迎。1989年，为了纪念费恩曼教授逝世一周年，编者重新出版了本书，并加了新的言及介绍费恩曼生平的短文。本卷在课程内容上则增加了弯曲空间一章，使得《费恩曼物理学讲义》这套书的内容更为完整。我们按照新版的原本进行了翻译。 本书中的费恩曼自序由郑永令在吴子仪译稿的基础上重译，前言由李洪芳翻译，潘笃武校阅，关于费恩曼和《费恩曼物理学讲义》另序由潘笃武翻译。本卷正文由李洪芳、钟万蘅在王子辅译稿的基础上重新翻译，第42章郑永令校阅

第1章 原子的运动 §1—1 引言. §1—2 物质是原子构成的 §1—3 原子过程 §1—4 化学反应 第2章 基本物理 §2—1 引言 §2—2 1920年以前的物理学 §2—3 量子物理学 §2—4 原子核与粒子 第3章 物理学与其他科学的关系 §3—1 引言 §3—2 化学 §3—3 生物学 §3—4 天文学 §3—5 地质学 §3—6 心理学 §3—7 情况何以会如此 第4章 能量守恒 §4—1 什么是能量 .§4—2 重力势能 §4—3 动能 §4—4 能量的其他形式 第5章 时间与距离 §5—1 运动 §5—2 时间 §5—3 短的时间 §5—4 长的时间 §5—5 时间的单位和标准 §5—6 长的距离 §5—7 短的距离 第6章 概率 §6—1 机会和可能性 §6—2 涨落 §6—3 无规行走 §6—4 概率分布 §6—5 不确定性原理 第7章 万有引力理论 §7—1 行星运动 §7—2 开普勒定律 §7—3 动力学的发展 §7—4 牛顿引力定律 §?—5 万有引力 §7—6 卡文迪什实验 §7—7 什么是引力 §7—8 引力与相对论 第8章 运动 §8—1 运动的描述 §8—2 速率 §8—3 速率作为导数 §8—4 距离作为积分 §8—5 加速度 第9章 牛顿的动力学定律 §9—1 动量和力 §9—2 速率与速度 §9—3 速度、加速度以及力的分量 §9—4 什么是力 §9—5 动力学方程的含义 §9—6 方程的数值解 §9—7 行星运动 第10章 动量守恒 §10—1 牛顿第三定律 §10—2 动量守恒 §10—3 动量是守恒的 §10—4 动量和能量 §10—5 相对论性动量 第11章 矢量 §11—1 物理学中的对称性 §11—2 平移 §11—3 转动 §11—4 矢量 §11—5 矢量代数 §11—6 牛顿定律的矢量表示法 §11—7 矢量的标积 第12章 力的特性 §12—1 什么是力 §12—2 摩擦力 §12—3 分子力 §12—4 基本力、场 §12—5 赝力 §12—6 核力 第13章 功与势能(上) §13—1 落体的能量 §13—2 万有引力所作的功 §13—3 能量的求和 §13—4 巨大物体的引力场 第14章 功与势能(下) §14—1 功 §14—2 约束运动 §14—3 保守力 §14—4 非保守力 §14—5 势与场 第15章 狭义相对论 §15—1 相对性原理 §15—2 洛伦兹变换 §15—3 迈克耳逊—莫雷实验 §15—4 时间的变换 §15—5 洛伦兹收缩 §15—6 同时性 §15—7 四维矢量 §15—8 相对论动力学 §15—9 质能相当性 第16章 相对论中的能量与动量 §16—1 相对论与哲学家 §16—2 孪生子佯谬 §16—3 速度的变换 §16—4 相对论性质量 §16—5 相对论性能量 第17章 时空 §17—1 时空几何学 §17—2 时空间隔 §17—3 过去，现在和将来 §17—4 四维矢量的进一步讨论 §17—5 四维矢量代数 第18章 二维空间中的转动 §18—1 质心 §18—2 刚体的转动 §18—3 角动量 §18—4 角动量守恒 第19章 质心、转动惯量 §19—1 质心的性质 §19—2 质心位置的确定 §19—3 转动惯量的求法 §19—4 转动动能 第20章 空间转动 §20—1 三维空间中的转矩 §20—2 用叉积表示的转动方程式 §20—3 回转仪 §20—4 固体的角动量 第21章 谐振子 §21—1 线性微分方程 §21—2 谐振子 §21—3 简谐运动和圆周运动 §21—4 初始条件 §21—5 受迫振动 第22章 代数学 §22—1 加法和乘法 §22—2 逆运算 §22—3 抽象和推广 §22—4 无理数的近似计算 §22—5 复数 §22—6 虚指数 第23章 共振 §23—1 复数和简谐运动 §23—2 有阻尼的受迫振子 §23—3 电共振 §23—4 自然界中的共振现象 第24章 瞬变态 §24—1 振子的能量 §24—2 阻尼振动 §24—3 电瞬变态 第25章 线性系统及其综述 §25—1 线性微分方程 §25—2 解的叠力口 §25—3 线性系统中的振动 §25—4 物理学中的类比 §25—5 串联和并联阻抗 第26章 光学：最短时间原理 §26—1 光.. §26—2 反射与折射 §26—3 费马最短时间原理 §26—4 费马原理的应用 §26—5 费马原理的更精确表述 §26—6 最短时间原理是怎样起作用的 第27章 几何光学 §27—1 引言 §27—2 球面的焦距 §27—3 透镜的焦距 §27—4 放大率 §27—5 透镜组 §27—6 像差 §27—7 分辨本领 第28章 电磁辐射 §28—1 电磁学 §28—2 辐射 §28—3 偶极辐射子 §28—4 干涉 第29章 干涉 §29—1 电磁波 §29—2 辐射的能量 §29—3 正弦波 §29—4 两个偶极辐射子 §29—5 干涉的数学 第30章 衍射 §30—1 n个相同振子的合振幅 §30—2 衍射光栅 §30—3 光栅的分辨本领 §30—4抛物形天线 §30—5 彩色薄膜、晶体 §30—6 不透明屏的衍射 §30—7 振荡电荷组成的平面所产生的场 第31章 折射率的起源 §31—1 折射率 §31—2 物质引起的场 §31—3 色散 §31—4 吸收 §31—5 电波所携带的能量 §31—6 屏的衍射 第32章 辐射阻尼、光的散射 §32—1 辐射电阻 §32—2 台皂量辐射率 §32—3 辐射阻尼 §32—4 独立的辐射源 §32—5 光的散射 第33章 偏振 §33—1 光的电矢量 §33—2 散射光的偏振性 §33—3 双折射 §33—4 起偏振器 §33—5 旋光性 §33—6 反射光的强度 §33—7 反常折射 第34章 辐射中的相对论性效应 §34—1 运动辐射源 §34—2 求“表观”运动 §34—3 同步辐射 §34—4 宇宙中的同步辐射 §34—5 轫致辐射 §34—6 多普勒效应 §34—7 w、k四元矢量 §34—8 光行差 §34—9 光的动量 第35章 色视觉 §35—1 人眼 §35—2 颜色依赖于光的强度 §35—3 色感觉的测量 §35—4 色品图 §35—5 色视觉的机制 §35—6 色视觉的生理化学 第36章 视觉的机制 §36—1 颜色的感觉 §36—2 眼睛的生理学 §36—3 视杆细胞 §36—4 (昆虫的)复眼 §36—5 其他的眼睛 §36—6 视觉的神经学 第37章 量子行为 §37—1 原子力学 §37—2 子弹实验 §37—3 波的实验 §37—4 电子的实验 §37—5 电子波的干涉 §37—6 追踪电子 §37—7 量子力学的基本原理 §37—8 不确定性原理 第38章 波动观点与粒子观点的关系 §38—1 概率波幅 §38—2 位置与动量的测量 §38—3 晶体衍射 §38—4 原子的大小 §38—5 能级 §38—6 哲学含义 第39章 气体分子动理论 §39—1 物质的性质 §39—2 气体的压强 §39—3 辐射的压缩性 §39—4 温度和动能 §39—5 理想气体定律 第40章 统计力学原理 §40—1 大气的指数变化律 §40—2 玻尔兹曼定律 §40—3 液体的蒸发 §40—4 分子的速率分布 §40—5 气体比热 §40—6 经典物理的失败 第41章 布朗运动 §41—1 能量均分 §41—2 辐射的热平衡 §41—3 能量均分与量子振子 §41—4 无规行走 第42章 分子动理论的应用 §42—1 蒸发 §42—2 热离子发射 §42—3 热电离 §42—4 化学动力学 §42—5 爱因斯坦辐射律 第43章 扩散 §43—1 分子间的碰撞 §43—2 平均自由程 §43—3 漂移速率 §43—4 离子电导率 §43—5 分子扩散 §43—6 热导率 第44章 热力学定律 §44—1 热机、第一定律 §44—2 第二定律 §44—3 可逆机 §44—4 理想热机的效率 §44—5 热力学温度 §44—6 熵 第45章 热力学示例 §45—1 内能 §45—2 应用 §45—3 克劳修斯—克拉珀龙方程 第46章 棘轮和掣爪 §46—1 棘轮是怎样工作的 §46—2 作为热机的棘轮 §46—3 力学中的可逆性 §46—4 不可逆性 §46—5 序与熵 第47章 声、波动方程 §47—1 波 §47—2 声的传播 §47—3 波动方程 §47—4 波动方程的解 §47—5 声速 第48章 拍 §48—1 两列波的相加 §48—2 拍符和调制 §48—3 旁频带 §48—4 定域波列 §48—5 粒子的概率幅 §48—6 三维空间的波 §48—7 简正模式 第49章 波模 §49—1 波的反射 §49—2 具有固有频率的约束波 §49—3 二维波模 §49—4 耦合摆 §49—5 线性系统 第50章 谐波 §50—1 乐音 §50—2 傅里叶级数 §50—3 音色与谐和 §50—4 傅里叶系数 §50—5 台皂量定理 §50—6 非线性响应 第51章 波 §51—1 舷波 §51—2 冲击波 §51—3 固体中的波 §51—4 表面波 第52章 物理定律的对称性 §52—1 对称操作 §52—2 空间与时间的对称性 §52—3 对称性与守恒定律 §52—4 镜面反射 §52—5 极矢量与轴矢量 §52—6 哪一只是右手 §52—7 宇称不守恒 §52—8 反物质... §52—9 对称破缺 索引 附录