醉染图书物理学中的理论概念9787312033766

前言
章引言
1.1对读者的说明
1.2本书的由来
1.3对读者的告诫
1.4物理和理论物理的本质
1.5环境的影响
1.6本书的计划
1.7致歉和鼓励的话
1.8参考文献
专题1牛顿运动定律和万有引力定律起源
第2章从托勒密到开普勒——哥白尼的
2.1古代史
2.2哥白尼的
.第谷·布拉赫——天堡之主
2.4开普勒与天体和谐
2.5参考文献
第3章伽利略与物理科学的本质
3.1引言
3.2作为实验物理学家的伽利略
3.3伽利略望远镜的发现
3.4问题的要点
3.5对伽利略的审判
3.6伽利略相对论
3.7反思
3.8参考文献
第4章牛顿与引力定律
4.1引言
4.2林肯郡（1642~1661）
4.3剑桥（1661~1665）
4.4林肯郡（1665~1667）
4.5剑桥（1667~1696）
4.6炼金术士牛顿
4.7对古代经典的解读
4.8伦敦（1696~1727）
4.9参考文献
第4章附录关于圆锥截面和有心轨道的注释
专题2麦克斯韦方程组
第5章麦克斯韦方程组的起源
5.1电磁学的发端
5.2法拉第及其力线——没有数学的数学
5.3麦克斯韦怎样导出电磁场方程组
5.4赫兹与电磁波的发现
5.5反思
5.6参考文献
第5章附录有用的矢量场
第6章改写电磁学史
6.1引言
6.2麦克斯韦矢量方程组
6.3电磁学的高斯定理
6.4与时间无关的场是保守力场
6.5电磁学的边界条件
6.6安培环路定理
6.7法拉第电磁感应定律
6.8本构方程
6.9导出库仑定律
6.10导出奥萨伐尔定律
6.11解释介质中的麦克斯韦方程组
6.12电磁场的能量密度
6.13结束语
6.14参考文献
专3/非线力学与动力学
第7章力学与动力学方法
7.1牛顿运动定律
7.2“作用”原理
7.3欧拉拉格朗日方程
7.4小振动与简正模式
7.5守恒定律与对称
7.6哈密顿量与泊松括号
7.7提示
7.8参考文献
第7章附录流体运动
第8章量纲分析、混沌与自组织临界
8.1引言
8.2量纲分析
8.3混沌简介
8.4标度律与自组织临界
8.5计算
8.6参考文献
专题4热力学与统计物理
第9章热力学基础
9.1热量和温度
9.2热的分子动理论与热质论
9.3热力学定律
9.4热力学第二定律的起源
9.5热力学第二定律
9.6熵
9.7熵增原理
9.8合并了热力学、第二定律的微分式
9.9参考文献
第9章附录麦克斯韦关系和雅克比行列式
0章气体动理论与统计力学的起源
10.1气体动理论
10.2气体动理论（版本）
10.3气体动理论（第二版本）
10.4麦克斯韦速度分布
10.5气体的黏滞度
10.6热力学第二定律的统计质
10.7熵与概率
10.8熵与态密度
10.9吉布斯熵与信息
10.10结束语
10.11参考文献
专题5量子概念起源
1章1895年前的黑体辐
11.11890年物理的状态
11.2辐发和吸收的基尔霍夫定律
11.3斯特藩玻尔兹曼定律
11.4维恩位移律及黑体辐谱
11.5参考文献
2章1895~1990：普朗克与黑体辐谱
12.1普朗克的早期生涯
12.2热平衡中的振子与它们的辐
1.谐振子的平衡辐谱
12.4通向黑体辐谱
12.5普朗克辐定律的初形式
12.6瑞利与黑体辐谱
12.7黑体辐定律与实验的比较
12.8参考文献
2章附录瑞利1900年带原始脚注的文章
3章黑体辐的普朗克理论
13.1引言
13.2统计力学的玻尔兹曼方法
13.3普朗克的分析
13.4普朗克和自然单位
13.5普朗克和h的物理意义
13.6为什么普朗克找到了正确的
13.7参考文献
4章爱因斯坦和光的量子化
14.1爱因斯坦的奇迹年
14.2关于光的产生和转化的一个启发观点
14.3固体的量子理论
14.4德拜的比热容理论
14.5再论气体比热容
14.6结束语
14.7参考文献
5章量子说的胜利
15.11909年的情况
15.2盒中粒子的涨落
15.3随机叠加的波的涨落
15.4黑体辐中的涨落
15.5届索尔维会议
15.6玻尔的氢原子理论
15.7爱因斯坦（1916）“关于辐的量子理论”
15.8故事结语
15.9参考文献
5章附录存在噪声时对信号的探测
专题6狭义相对论
6章狭义相对论——不变量的研究
16.1引言
16.2几何和洛伦兹变换
16.3三维矢量和四维矢量
16.4相对论动力学——动量和力的四维矢量
16.5描述运动的相对论方程
16.频率维矢量
16.7洛伦兹收缩和磁场起源
16.8反思
16.9参考文献
专题7广义相对论与宇宙学
7章广义相对论初步
17.1引言
17.2相对论引力的本质特征
17.3各向同的弯曲空间
17.4通往广义相对论之路
17.5施瓦西度规
17.6围绕点质量的粒子轨迹
17.7行星轨道近日点进动
17.8施瓦西时空中的光线
17.9黑洞附近的粒子和光线
17.10施瓦西黑洞周围的圆轨道
17.11参考文献
7章附录各向同弯曲空间
8章宇宙学技术
18.1引言
18.2约瑟夫·夫琅禾费
18.3摄影术的发明
18.4新一代望远镜
18.5天文学
18.6
18.7第二次世界大战的影响
18.8紫外线、X线、γ线天文学
18.9反思
18.10参考文献
9章宇宙学
19.1宇宙学和物理学
19.2基本宇宙学数据
19.3罗伯逊沃克度规
19.4宇宙观测
19.5历史插曲——稳态理论
19.6标准世界模型
19.7宇宙的热历史
19.8早期宇宙的核合成
19.9优选的宇宙学模型
19.10参考文献
9章附录空宇宙的罗伯逊沃克度规
后记
索引

马尔科姆·朗盖尔（Malcolm Longair），教授，1941年出生于苏格兰，1967年在剑桥大学卡文迪许（Cavendish）实验室获博士。1968—1969年，他作为英皇学会交换访问学者在莫斯科列别捷夫（Lebedev）研究所工作。后又六次作为交换学者访问苏联空间研究所，并在美国多个研究所和天文台担任访问教授。从1980年到1990年，他同时担任苏格兰皇家学会天文学家、爱丁堡（Edinburgh）大学钦定天文学讲座教授和爱丁堡皇家天文台台长。他在1991—1997年期间任卡文迪许实验室副主任，专门负责物理教学工作，并在1997年以后成为卡文迪许实验室主任。朗盖尔教授获得过多项奖项，其中包括在1986年2月获得首届大不列颠学习与丰富生活传播奖。1990年12月，他在电视上作了题为“我们宇宙的起源”的系列讲座，该讲座是皇家科学研究所在圣诞节期间专为青少年开设的。他在2000年千禧年授勋中荣膺不错英帝国勋位爵士封号。朗盖尔教授的主要研究领域为高能天体物理与天体物理宇宙学。他撰写了多部学术著作，并发表了超过250篇研究。
向守平，男，1945年生，1981年于中国科学技术大学天体物理专业，获硕士；1993年获瑞士巴塞尔大学博士。1995年晋升为教授。研究领域为宇宙学和相对论天体物理学，并长期从事大学物理与天体物理基础课程教学工作。2011年获第六届高等学校教学名师奖。
郑久仁，男，1937年生，物理学教授，长期在中国科学技术大学从事物理教学和统计物理理论研究工作，曾参与《物理学大题典》的编写工作。
朱栋培，男，1941年生，1965年于中国科学技术大学近代物理系，并留校从事理论物理的教学与研究工作。研究方向为量子物理与量子场论。
袁业飞，男，1972年生，1999年获中国科学技术大学理学博士，现为中国科学技术大学物理学院教授。主要研究方向为黑洞视界附近的气体及恒星的动力学和辐。

前言


本书写作的动机源于1977~1980年我在剑桥大学给准备进入物理学和理论物理学年学习的生所讲授的一门课程。该课程的目的是概述物理学理论研究的本质，以使学生更容易接受年多门物理学课程的高强度学习。该课程的宗旨在章和其后的相关论题中做了描述，其中使我感受强烈的是：学生在学学物理学课程时，如果不理解其内涵、处理方法以及专业物理学家研究工具的具体技术，就领会不到人类的智慧激情与物理学之美。该课程曾作为普通物理课程的替代课程，并命名为“物理学中的理论概念”。
这一课程的一个重要特点是：它是由学生自主选择的，并且接近没有。该课程于每周一、周三、周五上午9：00开始讲授，在7~8月间持续讲授4周，该时间段正是剑桥大学多年来的夏季学期，正好处于学年的物理课开课之前阶段。因除了开课的时间选择外，该课程没有，加上夏季阶段剑桥大学特有的吸引力，所以有为数众多的学生选修该课程。学生们的积极反馈使我很好愉悦，也因此激励我把这一课程内容写成出版物出版。我还没有看到任何一本书所包含的内容与此书相同。
本书版于1984年出版，书中增添了我讲授物理学和理论物理学的一些体会。那时我已经担任爱丁堡皇家天文台台长并负责爱丁堡大学天文系的工作。1991年我回到剑桥大学，深入参与了物理教学大纲的修订工作，并在此基础上建立了当前的3年或4年的课程体系。，4年里我更新了旧课程的内容，并将它更名为“物理学中的概念”。我继续扩展补充所讨论内容的范围，这些近补充的许多内容已包括在这一新版本中。
我在版中强调过的许多特点在新版本中仍然有所体现。本书对物理学以及理论物理学采用的是一种高度独立的处理方式。它绝不是正规的大学物理课程那样的物理学和理论物理学系统阐述的替代品。本书应当被看作是对正规教学内容的补充，它从物理学如何产生以及物理学家和理论物理学家在实际中如何工作的角度，阐述和补充相关教学内容。如果我能使学生像专业物理学家那样了解和热爱物理学，或者哪怕只是使学生提高了一点对物理学的欣赏能力，这本书就达到了目的。
在版中我有意突出了主要人物个人的很好贡献，这在很大程度上扩展了传统教科书的内容。我的意图是强调每个物理学家探讨问题的个，以使我在讲述物理学如何取得进展时有比较多的自由空间来表达自己的观点和感受。20年之后，我发现自己的写作风格发生了变化。现在看来，和现在的写作风格相比，我早期的写作很好“夸张”并“无拘无束”。显然，现在的行文更为谨慎，部分是对以前的一些不是很正确的论点，经过深思熟虑后改变所强调的重点的结果。但无需担心，版中所洋溢的热情在新版中丝毫没有减少，只是写作时采用了更为成熟的观点。，我把全书从头到尾做了改写，试图在保留早期写作活力的同时，使语言表述上尽可能准确。
本书中所表述的观点显然都是我自己的，但我的许多剑桥和爱丁堡的同事，在将我的想法用公式表述出来以及理清我的思路方面起了重要作用。该课程初的设想来自我与库克(Alan Cook)、海涅（Volker Heine）和沃尔瑟姆(John Wala)的讨论。我从海涅和斯科特（Scott）手中承接了“数学物理例题”课程，这门课程对我理顺自己的想法帮极大。此后几年里，约瑟夫森(Brian Josephson)对“概念”课程提供了帮并提出了许多精辟的见解。在讲述热力学部分时，正好豪伊（Archie Howie）也在讲授“热力学”课程，我在与他的讨论中受益匪浅。“物理学中的概念”课程作为1990年代改革的一部分，豪伊也参与了该课程的讲授，我很乐于研究他的许多创新之处并进一步加以发挥。
在爱丁堡，布兰德（Peter Brand）、皮科克（John Peacock）和海文斯（Alan Heavens）对我在一些概念的理解方面有过很大帮。在剑桥，许多同事对我把物理学生动地介绍给大学生的努力给予了很大支持。特别感谢沃尔瑟姆和格林（David Green），他们在和我一起共同授课期间，与我进行过无数次的讨论。我还要感谢格尔（Steve Gull）和雷森比（Anthony Lasenby），他们的讨论给予我的帮无法估量。马哈詹 (Sanjoy Mahajan)对量纲方法一节特别感兴趣，并且仔细阅读了我所写的内容，我对他的帮与见解很好感激。特别还要感谢哈曼（Peter Harman），他阅读了我写的有关麦克斯韦方程组的部分并提出了有益的建议。

有两个组织不断为我提供对物理学的宝贵见解。个是物理系教学委员会。我认为，一部关于如何讲授物理学和理论物理学的热烈讨论的录像，也许比整个课程教给学生的物理知识还要多。第二个是教职员学生物理学协商委员会。它像是一个大市场，在那里，物理课程的组织者面对的是一群聪明且能言善辩的顾客，物理教学的所有环节都是如此。学生们参与这些讨论，大大有于所讨论的内容公开。
我必须还要感谢多年来听过我的这门课和课的大学生们对我的激励。他们的评论和热情使得本书版问世。新的一版也是如此——剑桥的学生们是一种珍稀资源，他们使得讲课和教学成为一种特殊的荣幸和真正的享受。
恐怕我应当感谢的是已故的赖尔（Martin Ryle）和朔伊尔（Peter Scheuer），他们在1960年代（即我在电天文研究室工作期间）指导过我的研究工作，教会我如何成为一名物理学家。我从他们那里学到的真正的物理学，比从任何人那里学到的都要多。对我同样有极大影响的，还有已故的
泽尔多维奇
（Yakov Borisevichi Zeldovich），以及我的同事桑尼耶夫(Rashid Sunyaev)。1968~1969年，在莫斯科的这一年是我打开物理学和天体物理学新思路的一年。另一个对我有很大影响的是布帕德(Brian Pippard)，他对物理学的透彻见解给了我深刻的启发。尽管我和他在物理观点上有很大不同，但在我们一起讨论过的物理问题中，没有哪个问题我没有迅速受到他的启发。
许多人为这本书的编写提供了帮，我对他们深表谢意。在爱丁堡编写版时，墨里（Janice Murray）和霍伯（Susan Hooper）高质量地完成了大部分打字工作。弗雷特韦尔（Marore&bs;Fretwell）帮我画了所有的线描图，其中许多图在第2版时重新画了一遍。爱丁堡皇家天文台照相实验室的哈德利（Brian Hadley）及其同事们帮我把图缩小到适宜出版的尺寸，并提供了版所用的所有照片。皇家天文台图书馆的工作人员帮我查找参考文献，正是他们的努力，使得克劳福德（Crawford）收藏的老版科学著作中许多珍贵资料的照片得以发表。
在本书新版的编写过程中，安德鲁斯（Judith Andrews）令人赞叹地把版中的大量内容转换成LaTeX文本；同样重要的是，她是我的秘书和私人理，在她的帮之下，我在做管理实验室工作的同时，得以有时间重写这本书。
由于全力以赴地工作，我感到亏欠妻子黛博拉（Deborah） 和两个孩子马克（Mark）和莎拉（Sarah）很多，这种情感是无法用语言来表述的。

作者