物理學中的理論概念

《物理學中的理論概念》

本書以一種獨創、新穎且全面綜合的方法對物理學中的理論研究進行了探討，並以真實的物理學是科學家不斷探索和實踐的結果的視角闡述主題。作者試圖將本書作為大學本科高年級物理課程的補充讀物，並假定讀者對普通物理的知識已有所了解。利用對7個專題的系列研究，作者著重描述了理論物理學中某些最難的概念、科學家們充滿智慧的艱難探索，以及研究和發現所帶來的激動和欣喜。這些專題研究包括牛頓運動定律和萬有引力定律起源、麥克斯韋方程組、線性/非線性力學與動力學、熱力學與統計物理、量子概念起源、狹義相對論、廣義相對論與宇宙學。

劍橋大學卡文迪許實驗室，在1904年至1989年的85年間一共產生了29位諾貝爾獎得主，這個數字真的很辣眼睛有木有？！卡文迪許實驗室的前主任馬爾科姆·朗蓋爾教授，這位國際公認的大才子，這位僅靠一次講座就可以吸粉無數的大科學家，在劍橋大學傳授物理學課程幾十年，針對大學物理教學中一些被忽略的重要方面，綜合與多位學者以及課堂上聰明且能言善辯的學生的討論，以全力以赴的工作態度加上熱情洋溢的寫作風格，為全世界的讀者奉獻了這本《物理學中的理論概念》，一直被劍橋大學卡文迪許實驗室用作教材。它不僅限於解決實際的物理問題，更注重物理概念的歷史淵源、物理圖像和物理本質。

一般的大學物理教材，總是把知識分割成力學、熱學、電磁學、光學、原子物理學來闡述。而本書打通了這些本不該被分立的知識體系，模糊了彼此的界限，體現職業物理學家處理問題時用到的整體觀，以嚴謹的理論邏輯為主線，七大專題，脈絡清晰，連續而深刻地對物理學整體進行總結和提升。

本書打動人的是，物理學家在沒有先驗知識的情況下，並不知道得到的結果是否正確。但他們靠著實驗糾正其觀察和理論，直到正確的結果出現。甚至無論嘗試多少次，還是得不到正確結果，在嘗盡了所有錯誤的可能之後，被迫重新定義「正確」。物理學家們在廣泛的經歷中獲得直覺，在大量細緻而艱苦的工作中得出結論，他們在物理研究發現過程中有著超乎尋常的想像力和極度的興奮。或許同樣打動人的還有，他們鮮明的個性和內心的「執念」，以及物理學家之間的知識傳承與相互爭吵。

歷史稍縱即逝，唯有思想永存。對於書中的人物故事，你可以做一個看客，或者某一天將它作為一則故事講給你的孩子聽；你也可以作為思想的傳播者，抱著探索世界的心情感受研究和發現帶來的火一般的熱情。

本書由國家級教學名師程福臻教授推薦引進，另一位國家級教學名師向守平教授領銜翻譯，譯者還包括《量子力學基礎》的作者朱棟培教授、2017年度國家傑青袁業飛教授等四位中國科大物理學院教授。適用人群包括但不僅限理工科大學生，大學物理教師，中學物理競賽生，中學物理教師尤其是物理競賽教練，有普通物理基礎的其他讀者。

【目錄】

前言

第1章引言

1.1對讀者的說明

1.2本書的由來

1.3對讀者的告誡

1.4物理和理論物理的本質

1.5環境的影響

1.6本書的計劃

1.7致歉和鼓勵的話

1.8參考文獻

專題1牛頓運動定律和萬有引力定律起源

第2章從托勒密到開普勒——哥白尼的革命

2.1古代史

2.2哥白尼的革命

2.3第谷·布拉赫——天堡之主

2.4開普勒與天體和諧

2.5參考文獻

第3章 伽利略與物理科學的本質

3.1引言

3.2作為實驗物理學家的伽利略

3.3伽利略望遠鏡的發現

3.4問題的要點

3.5對伽利略的審判

3.6伽利略相對論

3.7反思

3.8參考文獻

第4章牛頓與引力定律

4.1引言

4.2林肯郡（1642~1661）

4.3劍橋（1661~1665）

4.4林肯郡（1665~1667）

4.5劍橋（1667~1696）

4.6鍊金術士牛頓

4.7對古代經典的解讀

4.8倫敦（1696~1727）

4.9參考文獻

第4章附錄 關於圓錐截面和有心軌道的注釋

專題2 麥克斯韋方程組

第5章麥克斯韋方程組的起源

5.1電磁學的發端

5.2法拉第及其力線——沒有數學的數學

5.3麥克斯韋怎樣導出電磁場方程組

5.4赫茲與電磁波的發現

5.5反思

5.6參考文獻

第5章附錄有用的矢量場

第6章改寫電磁學史

6.1引言

6.2麥克斯韋矢量方程組

6.3電磁學的高斯定理

6.4與時間無關的場是保守力場

6.5電磁學的邊界條件

6.6安培環路定理

6.7法拉第電磁感應定律

6.8本構方程

6.9導出庫侖定律

6.10導出畢奧薩伐爾定律

6.11解釋介質中的麥克斯韋方程組

6.12電磁場的能量密度

6.13結束語

6.14參考文獻

專題3 線性/非線性力學與動力學

第7章力學與動力學方法

7.1牛頓運動定律

7.2「最小作用」原理

7.3歐拉拉格朗日方程

7.4小振動與簡正模式

7.5守恆定律與對稱性

7.6哈密頓量與泊松括弧

7.7提示

7.8參考文獻

第7章附錄流體運動

第8章量綱分析、混沌與自組織臨界性

8.1引言

8.2量綱分析

8.3混沌簡介

8.4標度律與自組織臨界性

8.5超越計算

8.6參考文獻

專題4 熱力學與統計物理

第9章熱力學基礎

9.1熱量和溫度

9.2熱的分子動理論與熱質論

9.3熱力學第一定律

9.4熱力學第二定律的起源

9.5熱力學第二定律

9.6熵

9.7熵增原理

9.8合併了熱力學第一、第二定律的微分式

9.9參考文獻

第9章附錄麥克斯韋關係和雅克比行列式

第10章氣體動理論與統計力學的起源

10.1氣體動理論

10.2氣體動理論（第一版本）

10.3氣體動理論（第二版本）

10.4麥克斯韋速度分布

10.5氣體的黏滯度

10.6熱力學第二定律的統計性質

10.7熵與概率

10.8熵與態密度

10.9吉布斯熵與信息

10.10結束語

10.11參考文獻

專題5 量子概念起源

第11章1895年前的黑體輻射

11.1 1890年物理的狀態

11.2輻射發射和吸收的基爾霍夫定律

11.3斯特藩玻爾茲曼定律

11.4維恩位移律及黑體輻射譜

11.5參考文獻

第12章1895~1990：普朗克與黑體輻射譜

12.1普朗克的早期生涯

12.2熱平衡中的振子與它們的輻射

12.3諧振子的平衡輻射譜

12.4通向黑體輻射譜

12.5普朗克輻射定律的最初形式

12.6瑞利與黑體輻射譜

12.7黑體輻射定律與實驗的比較

12.8參考文獻

第12章附錄瑞利1900年帶原始腳註的文章

第13章黑體輻射的普朗克理論

13.1引言

13.2統計力學的玻爾茲曼方法

13.3普朗克的分析

13.4普朗克和自然單位

13.5普朗克和h的物理意義

13.6為什麼普朗克找到了正確的答案

13.7參考文獻

第14章愛因斯坦和光的量子化

14.1愛因斯坦的奇蹟年

14.2關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點

14.3固體的量子理論

14.4德拜的比熱容理論

14.5再論氣體比熱容

14.6結束語

14.7參考文獻

第15章量子假說的勝利

15.11909年的情況

15.2盒中粒子的漲落

15.3隨機疊加的波的漲落

15.4黑體輻射中的漲落

15.5第一屆索爾維會議

15.6玻爾的氫原子理論

15.7愛因斯坦（1916）「關於輻射的量子理論」

15.8故事結語

15.9參考文獻

第15章附錄存在雜訊時對信號的探測

專題6 狹義相對論

第16章狹義相對論——不變數的研究

16.1引言

16.2幾何和洛倫茲變換

16.3三維矢量和四維矢量

16.4相對論動力學——動量和力的維矢量

16.5描述運動的相對論方程

16.6頻率四維矢量

16.7洛倫茲收縮和磁場起源

16.8反思

16.9參考文獻

專題7 廣義相對論與宇宙學

第17章廣義相對論初步

17.1引言

17.2相對論引力的本質特徵

17.3各向同性的彎曲空間

17.4通往廣義相對論之路

17.5施瓦西度規

17.6圍繞點質量的粒子軌跡

17.7行星軌道近日點進動

17.8施瓦西時空中的光線

17.9黑洞附近的粒子和光線

17.10施瓦西黑洞周圍的圓軌道

17.11參考文獻

第17章附錄各向同性彎曲空間

第18章宇宙學技術

18.1引言

18.2約瑟夫·夫琅禾費

18.3攝影術的發明

18.4新一代望遠鏡

18.5天文學基金

18.6電子革命

18.7第二次世界大戰的影響

18.8紫外線、X射線、γ射線天文學

18.9反思

18.10參考文獻

第19章宇宙學

19.1宇宙學和物理學

19.2基本宇宙學數據

19.3羅伯遜沃克度規

19.4宇宙觀測

19.5歷史插曲——穩態理論

19.6標準世界模型

19.7宇宙的熱歷史

19.8早期宇宙的核合成

19.9最好的宇宙學模型

19.10參考文獻

第19章附錄空宇宙的羅伯遜沃克度規

後記

索引

周末讀書：

1.軟物質：概念的誕生與成長——《20世紀物理學》

2.劉寄星：《20世紀物理學》譯後記

3.遲到的巨著——《量子力學》(一、二卷)中文版面世

4.哲人禮讚——《德爾斐的囚徒：從蘇格拉底到愛因斯坦》序|周末讀書

5.探索更高分辨本領的成像技術——兼評《掃描近場光學顯微鏡與納米光學測量》|| 周末讀書

6.如何學好統計熱力學 || 周末讀書

7.《量子力學（少年版）》導讀 || 周末讀書

8.《d波超導體》導讀 || 周末讀書

9.《愛因斯坦與萬物之理 統一路上人和事》引言 || 周末讀書

10.一本引人入勝的優秀科普書——讀盧昌海的《上下百億年：太陽的故事》|| 周末讀書

11.丁肇中：超越諾貝爾獎，探尋自然的奧秘

END

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