Фейнман - 05. Электричесво и магнетизм (1055667), страница 2
Текст из файла (страница 2)
При этом преследовалась двоякая цель. Во-первых, мы хотели дать студентам полную картину одного из самых больших разделов физики — от первых, сделанных ощупью шагов Франклина, через великий синтез Максвелла, до лоренцевой электронной теории свойств вощества, включая еще не решенные дилеммы электромагнитной собственной энергии. Во-вторых, мы надеялись ввести с самого начала исчксление векторных полей и дать таким образом солидное введение в математику полевых теор«гй.
Чтоб подчеркнуть общую полезность математических методов, порой родственныо вопросы из других областей физики анализировались одновременно с их электрическими двойниками. Мы Выпуски 5 — 7.— Прим. ред. ее Выпуски 8 и 9, в вях вошли и восемь дополвитель. вых лекций.— Прел. род. пытались все время внедрять в сознание общность математики («одинаковые уравнения имеют одинаковые решения»). Это подчеркивалось характером упражнении, а потом и экзаменов. После электромагпетизма две главы посвящены упругости, а две — течению жидкости. В первой главе каждой из этих тем обсуждаются лишь элементарные и практические вопросы, вторые главы посвящены попытке обзора всего сложного круга явлений, к которым ведет рассматриваемая задача.
Зги четыре главы, впрочем, можно без особого ущерба опуститгь поскольку они вовсе не обяаательны для понимания материала. Примерно вся последняя четверть второго курса ныла посвящена введению в квантовую механику. Она вошла в третий том. Публикуя запись лекций Фейнмана, мы хотели осуществить нечто большее, нежели просто переложить на бумагу то, что было нм сказано устно. Мы хотели, чтобы на бумагу как можно более ясно легли те идеи, на которых основывались лекции.
Для некоторых лекций этого удалось добиться, пришлось внести лишь небольшую правку в стенографические ааписн, другие же потребовали значительной работы и довольно серьезного редактирования. Иногда мы чувствовали, что для большей ясности нужно включить добавочный материал. При атом мы прибегали постоянно к помощи и советам самого Фейнмана. «Перевод» в столь сжатые сроки свыше миллиона устных слов в связный текст — работа громадная, особенно если к этому еще добавляются другие обязанности, сопровождающие обычно чтение нового курса,— подготовка к опросу, семинары, упражнения, экаамены и т.
д. Потребовалось множество рук и голов. Я все же надеюсь, что в ряде случаев нам удалось верно отразить фейнмановский оригинал. В другях же мы оказались очень далеки от идеала. Нашими успехами мы обязаны всем, кто помогал нам. Мы очень сожалеем о неудачах. Как мы подробно объясняли в предисловии к первому тому, эти лекции были всего частью программы, которую наметил и за выполнением которой следил Комитет по пере«метру курса (Р. Лейтон — председатель, Г.
Неер и М. Бэнде) КАЛТЕХа при финансовой поддержке Фонда Форда. Кроме того, в подготовке текста лекций второго тома участвовали Т. Кохи, 1«!. Клейтон, Д. Курцио, Д. Хартл, Т. Харвей, М. Израэль, В. Карзас, Р. Казанах, Д. й!»тырс, М. Плессет, Ф. Уоррен, В. Уэйлинг, Е. Уилтс и Б. Циммерман. В работе над лекциями помогали Дж. Блю, Дж. «1апл»гн, М. Клаузер, Р. Доллен, Г. Хилл и А. Тайтл. Мнэ хотелось бы особо сказать здесь о постоянной помощи профессора Нойгебауера.
И все же если бы не выдающееся дарование и активность самого Фейнмана, то этот рассказ о физике, который вы сейчас читаете, никогда бы не прозвучал. ЛХэтыо Сэпдс Март 1964 г Х.«»» «»» ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ й!Л,в к»ра юскп. со«па ф 1, Элеьзигзт«песк»«е ом.«ы Рассмотрим силу, которая, подобно тяготению, меняется обратно квадрату расстояния, но только в миллион биллионов бил.лионов биллио>сов раз более сильную.
И которая отличается еще в одном. Пусть существуют два сорта «вещества», которые можно назвать положительным и отрицательным. Пусть одинаковые сорта отталкиваются, а разные — притягиваются в отличие от тяготения, при котором происходит только притяжение. Что же тогда случится? Все положительное оттолкнется со страшной силой и разлетится в разные стороны, Все отрицательное — тол;е. Но совсем другое произойдет, если положительное и отрицательное перемешать поровну. Тогда они с огромкок силой приткнутся друг к другу, и в итоге эти невероятные силы почти нацело сбалансируются, образуя плотные «мелкозернистые» смеси положительного и отрицательного; между двумя грудами таких смесей практически не оудет ощущаться ни притяжения, ни отталкивания. Такая сила существует: это электрическая сила.
И все вещество является смесью положительных протонов и отрицательных электронов, прпгягивающихся н отталкивающихся с неимоверной силой. Однако баланс между ними столь совершенен, что, когда вы стоите возле кого- нибудь, вы не ощущаете никакого действия этой силы. А если бы баланс нарушился хоть немножко, вы бы это сразу почувствовали, Если бы в вашем теле или в теле вашего соседа (стоящего от вас на расстоянии вытянутой руки) электронов оказалось бы всего на $ й» больше, чем протонов, то сила вашего отталкивания ..'-«..вк к ~ рп вть *„ ЗЛ.'",. ~ ась р„в . око ьт ';1 .*р в ~, ~ '*, ~ ,') ~э~~ ~$'" ~ ~1» ~1 3~ Шв ~ о.л1 1 с ш~ была бы невообравимо большой.
Насколько большой? Достаточной, чтобы поднять небоскреб? Больше! Достаточной, чтобы поднять гору Эверест? Болыпе! Силы отталкивания хватило бы, чтобы поднять «вес», равный весу нашей Земли! Раз такие огромные силы в этих тонких смесях столь совершенно сбалансированы, то нетрудно понять, что вещество, стремясь удержать свои положительные н отрицательные заряды в тончайшем равновесии, должно обладать большой жесткостью и прочностью.
Верхушка небоскреба, скажем, отклоняется при порывах ветра лишь на пару метров, потому что электрические силы удерживают каждый электрон и каждый протон более или менее на своих местах. Л с другой стороны, если рассмотреть достаточно малое количество вещества так, чтобы в нем насчитывалось лишь немного атомов, то там необязательно будет равное число положительных н отрицательных зарядов, и могут проявиться болыпие остаточные электрические силы. Даже если числа тех и других зарядов одинаковы, все равно между соседними областями может действовать значительная электрическая сила.
Потому что силы, действующие между отдельными зарядами, изменяются обратно пропорционально квадратам расстояний между ними и может оказаться, что отрицательные заряды одной части вещества ближе к положительным зарядам (другой части), чем к отрицательным. Силы притяжения тогда превзойдут силы отталкивания, и в итоге возникнет притяжение между двумя частями вещества, в которых нет избыточного заряда. Сила, удерживающая атомы, и химические силы, скрепляющие между собой молекулы,— все ато силы электрические, действующие там, где число зарядов неодинаково или где промежутки между ними малы. Вы знаете, конечно, что в атоме имеются поло>кительные протоны в ядре и электроны вне ядра.
Вы можете спросить: «Если этн электрические силы так велики, то почему же протоны и электроны не налезают друг на друга? Если ови стремятся образовать тесную компанию, почему бы ей не стать еще теснее?» Ответ связан с квантовыми эффектами. Если попытаться заключить наши электроны в малый об>ъем, окружающий протон, то, согласно принципу неопределенности, у них должен возникнуть средний квадратичный импульс, тем больший, чем сильнее мы их ограничим. Именно это движение (требуемое законами квантовой механики) мешает электрическому притяжению еще больше сблизить заряды.
Тут возникает другой вопрос: «Что скрепляет ядро'.» В ядре имеется несколько протонов, и все они положительно заряжены. Почему же онн не разлетаются? Оказывается, что в ядре, помимо электрических сил, еще действуют и неэлектрическне силы, называемые ядерными. Эти силы более мощные, чем электрические, и они способны, несмотря на электрическое отталкивание, «э удержать протоны вместе. Действие ядерных сил, однако, простирается недалеко; оно падает гораздо быстрее, чем 1!г».
И это приводит к важному результату. Если в ядре имеется слишком много протонов, то ядро становится чересчур болыпим и оно уже не может удержаться. Примером может служить уран с его 92 протонами. Ядерные силы действуют в основном между протоном (или нейтроном) и ого ближайшим соседом, а электрические силы действуют на большио расстояния и вызывают отталкивание каждого протона в ядре от всех остальных.
Нем болыпе в ядре протонов, тем сильнее электрическое отталкивание, пока (как у урана) равновесие не станет столь шатким, что ядру почти ничего не стоит разлететься от действия электрического отталкивания. Стоит его чуть-чуть «толкнуть» (например, послав внутрь медленный нейтрон) — и оно разваливается надвое, на две положительно заряженные части, разлетающиеся врозь в результате электрического отталкивания. Энергия, которая при этом высвобождается,— это энергия атомной бомбы.
Ее обычно именуют «ядерной» энергией, хотя на самом деле это «электрическая» энергия, высвобождаемая как только электрические силы превзойдут ядерные силы притяжения. Наконец, можно спросить, чем скрепляется отрицательно заряженный электрон (ведь в нем нет ядерных сил)? Если электрон весь состоит из вещества одного сорта, то каждая его часть должна отталкивать остальные. Тогда почему я«е опи не разлетаются в разные стороны? А точно ли существуют у электрона «части»? Может быть, следует считать электрон просто точкой и говорить, что электрические силы действуют только между разними точечными зарядами, так что алектрон не действует сам на себя? Возможно. Единственно, что можно сейчас сказать,— что вопрос о том, чем скреплен электрон, вызвал много трудностей при попытке создать полную теорию электромагнетизма.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
