Дюжина лекций: шесть попроще и шесть посложнее

ДЮЖИНА ЛЕКЦИЙ:
ШЕСТЬ ПОПРОЩЕ
И ШЕСТЬ ПОСЛОЖНЕЕ

Р. ФЕЙНМАН

ДЮЖИНА
ЛЕКЦИЙ:

ШЕСТЬ ПОПРОЩЕ
И ШЕСТЬ ПОСЛОЖНЕЕ

9-е издание, электронное

Перевод с английского
Е. В. Фалёва и В. А. Носенко

Москва
Лаборатория знаний
2020

УДК 53
ББК 22.3
Ф36
Перевод: ч. 1 — Е. В. Фалёв, ч. 2 — В. А. Носенко
Фейнман Р.
Ф36
Дюжина лекций: шесть попроще и шесть посложнее /
Р. Фейнман ; пер. с англ. — 9-е изд., электрон. — М. : Лаборатория
знаний, 2020. — 321 с. — Систем. требования: Adobe Reader XI ;
экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-924-4
Приводятся избранные лекции выдающегося американского физика,
лауреата Нобелевской премии Р. Фейнмана. В них рассматриваются этапы
становления современной физики и ее концепций, связь физики с дру-
гими науками, теория тяготения, квантовая механика, симметрия законов
физики, специальная теория относительности, искривленное пространство-
время и другие важные вопросы, разработанные автором в процессе его
плодотворной научной деятельности.
Для студентов, изучающих теоретическую и экспериментальную фи-
зику, преподавателей вузов и широкого круга читателей, интересующихся
проблемами современной физики.
УДК 53
ББК 22.3

Деривативное издание на основе печатного аналога: Дюжина лекций:
шесть попроще и шесть посложнее / Р. Фейнман ; пер. с англ. — 8-е изд. —
М. : Лаборатория знаний, 2018. — 318 с. : ил. — ISBN 978-5-00101-127-9.

Оригинальные издания:
1. SIX EASY PIECES: ESSENTIALS OF PHYSICS EXPLAINED BY ITS MOST
BRILLIANT TEACHER by RICHARD P. FEYNMAN.
2. SIX NOT-SO-EASY PIECES: EINSTEIN’S RELATIVITY, SYMMETRY, AND
SPACE-TIME by RICHARD P. FEYNMAN.
Публикуется с разрешения издательства
DA CAPO PRESS, an imprint of PERSEUS BOOKS LLC. (США)
при содействии Агентства Александра Корженевского (Россия)

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков
или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-924-4

1. Copyright
c○ 1963, 1989, 1995, 2011
by the California Institute of Technology
2. Copyright
c○ 1963, 1989, 1997, 2011
by the California Institute of Technology
Introduction copyright
c○ 1997 by Roger
Penrose
c○ Лаборатория знаний, 2015

I. Шесть простых фрагментов

От издателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Специальное предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Предисловие автора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

1. Атомы в движении. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Вещество состоит из атомов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Атомные процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Химические реакции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2. Основы физики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Физика до 1920 года . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Квантовая физика. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Ядра и частицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3. Отношение физики к другим наукам . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Химия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Биология. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Астрономия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Геология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Психология . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
С чего все началось? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4. Сохранение энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Что такое энергия? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Потенциальная энергия тяготения . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Кинетическая энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Другие формы энергии. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

Оглавление

5. Теория тяготения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Движение планет . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Законы Кеплера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Развитие динамики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Ньютоновский закон тяготения. . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Всемирное тяготение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Эксперимент Кавендиша . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Что такое тяготение? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Тяготение и относительность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

6. Квантовое поведение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

Атомная механика . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Эксперимент с пулеметной стрельбой. . . . . . . . . . . . . . 139
Эксперимент с волнами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Эксперимент с электронами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Интерференция электронных волн . . . . . . . . . . . . . . . 146
Наблюдение за электронами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Исходные принципы квантовой механики . . . . . . . . . . 155
Принцип неопределенности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

II. Шесть не столь простых фрагментов

От издателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
1. Векторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

1.1. Симметрия в физике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
1.2. Переносы начала координат . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
1.3. Вращения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
1.4. Векторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
1.5. Векторная алгебра. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
1.6. Законы Ньютона в векторной записи . . . . . . . . . . . 187
1.7. Скалярное произведение векторов . . . . . . . . . . . . . 190

2. Симметрия законов физики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

2.1. Операции симметрии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
2.2. Симметрия в пространстве и времени . . . . . . . . . . . 196
2.3. Симметрия и законы сохранения. . . . . . . . . . . . . . 200
2.4. Зеркальные отражения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
2.5. Полярный и аксиальный векторы . . . . . . . . . . . . . 206
2.6. Какая же рука — правая?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
2.7. Четность не сохраняется! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
2.8. Антивещество. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
2.9. Нарушенная симметрия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

6
Оглавление

3. Специальная теория относительности . . . . . . . . . . . . . . 219

3.1. Принцип относительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
3.2. Преобразование Лоренца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
3.3. Опыт Майкельсона—Морли . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
3.4. Преобразование времени . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
3.5. Лоренцево сокращение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
3.6. Одновременность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
3.7. 4-векторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
3.8. Релятивистская динамика . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
3.9. Связь массы и энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237

4. Релятивистская энергия и релятивистский импульс . . . 241

4.1. Относительность и философы . . . . . . . . . . . . . . . . 241
4.2. Парадокс близнецов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
4.3. Преобразование скоростей . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
4.4. Релятивистская масса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
4.5. Релятивистская энергия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255

5. Пространство-время . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

5.1. Геометрия пространства-времени . . . . . . . . . . . . . 261
5.2. Пространственно-временные интервалы . . . . . . . . . 265
5.3. Прошедшее, настоящее и будущее . . . . . . . . . . . . . 267
5.4. Еще немного о 4-векторах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
5.5. Алгебра 4-векторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274

6. Искривленное пространство . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

6.1. Искривленное пространство двух измерений. . . . . . 279
6.2. Кривизна в трехмерном пространстве. . . . . . . . . . . 290
6.3. Наше пространство искривлено. . . . . . . . . . . . . . . 292
6.4. Геометрия в пространстве-времени . . . . . . . . . . . . 295
6.5. Сила притяжения и принцип эквивалентности . . . . 296
6.6. Ход часов в поле сил тяготения . . . . . . . . . . . . . . . 297
6.7. Кривизна пространства-времени . . . . . . . . . . . . . . 303
6.8. Движение в искривленном пространстве-времени . . 304
6.9. Эйнштейновская теория тяготения . . . . . . . . . . . . 308

О Ричарде Фейнмане . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311

Предметный указатель. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

Оглавление
7

I

Шесть простых
фрагментов

Книга «Шесть простых фрагментов» выросла из потребности
сделать доступным для как можно более широкой аудитории не-
кий базовый учебник по физике, который содержит необходи-
мые и в то же время не слишком специальные технические зна-
ния
и
основывается
на
научных
достижениях
Ричарда
Фейнмана. Мы выбрали шесть наиболее простых глав из знаме-
нитой и исторически важной книги «Лекции по физике» (впер-
вые опубликованной в 1963 г.), которая остается самой извес-
тной из публикаций этого ученого. Широкие круги читателей
могут воспользоваться тем, что Фейнман решил представить
определенные ключевые вопросы физики почти исключительно
в качественных понятиях, без использования формальной мате-
матики, и эти вопросы собраны в «Шести простых фрагментах».
Издательство Эддисон-Уэсли хотело бы выразить благодар-
ность Полю Дэвису за его проникновенное введение к этому
новому сборнику. Следуя этому введению, мы решили воспро-
извести два предисловия из «Лекций по физике», одно из
них — принадлежащее самому Фейнману, и другое — двум его
коллегам, так как они создают контекст для последующих
фрагментов и помогают понять как самого Фейнмана, так и его
научные достижения.
И наконец, мы хотели бы поблагодарить физический фа-
культет Калифорнийского технологического института и архив
института, в особенности д-ра Джудит Гудстейн и д-ра Брайана
Хэтфилда за их замечательные советы и рекомендации, очень
помогавшие нам на протяжении всей работы над этим проек-
том.

От издателя*

* На языке оригинала книга была опубликована издательством Addison-Wes-
ley. — Прим. перев.

Существует распространенное заблуждение, что наука — со-
вершенно безличное, бесстрастное и полностью объективное за-
нятие. В то время как большая часть прочих видов человечес-
кой деятельности находится во власти моды, преходящих
увлечений и особенностей личностей, науку считают подчинен-
ной принятым точным методам и тщательной проверке. Имеют
значение только результаты, но не люди, которые их получают.
Это, конечно, явная бессмыслица. Наука делается людьми,
как и любое другое человеческое начинание, и также подверже-
на влиянию моды и личного вкуса. Правда, моду здесь устанав-
ливает не выбор предмета обсуждения, а способ, каким ученые
мыслят о мире. Каждый век вырабатывает свой собственный
подход к научным проблемам, обычно следуя примеру некото-
рых ярких личностей, которые и ставят главные вопросы, и
определяют наилучшие способы их решения. Случается, что
ученый достигает достаточного положения в обществе и стано-
вится известен широкой публике, и если при этом он действи-
тельно обладает выдающимися способностями, то может стать
образцом для подражания во всем научном сообществе. В пре-
жние века таким образцом был Исаак Ньютон. Ньютон олицет-
ворял ученого-джентльмена — с большими связями в высшем
свете, глубоко религиозного, неторопливого и методичного в
своей работе. Его стиль научной работы оставался образцом на
протяжении
двух
столетий.
В
первой
половине
XX
века
Альберт Эйнштейн заменил Ньютона в роли популярного обра-
за ученого. Эксцентричный, растрепанный, родом из Германии,
рассеянный, полностью погруженный в свою работу, и при этом
идеальный абстрактный мыслитель, Эйнштейн изменил пре-
жний подход к физике, поставив вопрос о самих понятиях,
определяющих ее как предмет.

Введение

Ричард Фейнман стал образцом для подражания в физике
второй половины XX столетия — первым американцем, достиг-
шим такого статуса. Родившийся в Нью-Йорке в 1918 г. и полу-
чивший образование на Восточном побережье, он опоздал для
того, чтобы принять участие в Золотом Веке физики, который в
первые три десятилетия этого века изменил наше видение мира
в ходе двойной революции, ознаменовавшейся открытием тео-
рии относительности и квантовой механики. Эти стремитель-
ные прорывы заложили основание той системы взглядов, кото-
рую мы ныне называем Новой Физикой. Фейнман отталкивался
от этих уже заложенных основ и участвовал в возведении «пер-
вого этажа» Новой Физики. Его вклад касался почти каждого
ее аспекта и оказал существенное влияние на характер видения
мира.
Фейнман был физиком-теоретиком по преимуществу. Нью-
тон был экспериментатором и теоретиком в равной мере. Эйн-
штейн просто-напросто пренебрегал экспериментом, предпочи-
тая опираться на чистую мысль. Фейнману довелось развить
глубоко теоретическое понимание природы, но он всегда оста-
вался в тесной связи с реальным и часто неприглядным миром
экспериментальных результатов. Никто из тех, кто видел, как
Фейнман выяснил причину катастрофы космического челнока
Челленджер, погрузив эластичную ленту в ледяную воду, не
мог бы сомневаться в том, что имеет дело со специалистом по
зрелищам и одновременно весьма практичным мыслителем.
Первоначально Фейнман сделал себе имя работой над теори-
ей субатомных частиц, а именно в области так называемой
квантовой электродинамики, или КЭД, с которой фактически
начиналась квантовая теория. В 1900 г. немецкий физик Макс
Планк предположил, что свет и прочее электромагнитное излу-
чение, которое до того рассматривалось как волны, парадок-
сальным образом ведет себя при взаимодействии с веществом
подобно
миниатюрным
сгусткам
энергии,
или
«квантам».
Именно эти кванты стали впоследствии называть фотонами.
К началу 1930-х гг. архитекторы новой квантовой механики
разработали математическую схему, способную описать эмис-
сию и поглощение фотонов электрически заряженными части-
цами, такими как электроны. Хотя эта ранняя версия КЭД дос-
тигла некоторых успехов, данная теория имела явные изъяны.
Во многих случаях вычисления давали абсурдные и даже беско-
нечные ответы на хорошо поставленные физические вопросы.

Введение
13