Александр Китайгородский - Физика для всех. Книга 1. Физические тела

После многих лет я решил возвратиться к неоконченной книге «Физика для всех», написанной мною с Дау, — так называли друзья замечательного ученого и обаятельного человека академика Л. Д. Ландау .

Эта книга была уж очень «совместной». Очень долго мне было трудно взяться за ее продолжение. Многие читатели упрекали меня в этом в своих письмах. И вот теперь на их суд выносится новое издание «Физики для всех», которое разбито на четыре небольших книги. Я дал им названия: «Физические тела», «Молекулы», «Электроны» и «Фотоны и ядра». Разбиение произведено, так сказать, по глубине проникновения в строение вещества. Эти четыре книги охватывают все основные законы физики. Возможно, что есть смысл продолжить «Физику для всех», посвятив следующие ее выпуски фундаменту разных областей естествознания и техники.

Две первые книги представляют собой лишь незначительно переработанную, но кое-где существенно дополненную прежнюю книгу. Последние две книги написаны мною.

Я прекрасно сознаю, что внимательный читатель почувствует различие между ними. Однако общие принципы изложения материала, которых мы придерживались с Дау, сохранены. Это дедуктивность изложения, следование логике предмета, а не истории его развития. Мы полагали полезным беседовать с читателем простым, житейским языком, не бояться юмора. И еще одно: мы не жалели читателя. Если хочешь понять книгу, то многие страницы надо прочесть не раз и не два и как следует задуматься над прочитанным.

Что же касается отличия новых книг от старой, то оно заключается в следующем. Когда писалась прежняя книга, то авторы подходили к ней, как к «первой» книге по физике, и даже полагали, что она может конкурировать со школьным учебником. Но читательские отклики и опыт преподавателей физики показали, что дело обстоит не так. Круг читателей составили учителя, инженеры, школьники, которые желали сделать физику своей профессией. Оказалось, что никто не рассматривает «Физику для всех» как книгу учебную. К ней относятся, как к книге научно-популярной, расширяющей школьные знания, останавливающей зачастую внимание на том, что по тем или иным причинам не включается в программы.

Естественно, полагая, что мой читатель более или менее знаком с физикой, я почувствовал себя более свободным в выборе тем и счел возможным прибегнуть к более разговорному стилю.

Текст первой книги подвергся минимальным изменениям. Это в основном первая половина «Физики для всех» Л. Д. Ландау и А. И. Китайгородского .

Поскольку разговор о физике начинается с тех явлений, которые не требуют знания строения вещества, естественно назвать первую книгу «Физические тела».

Конечно, можно было бы озаглавить эти страницы, как это обычно принято, словом «механика», то есть наука о движении. Но ведь учение о теплоте, о котором пойдет речь в следующей книге, также есть наука о движении…, но только не видимых глазу тел — молекул и атомов. Так что выбранное название представляется мне более удачным.

Первая книга в основном посвящена учению о законах движения и гравитационного тяготения, которые навечно останутся фундаментом физики, а значит, и всего естествознания.

Сентябрь 1977

А. И. Китайгородский

Всем приходится измерять длину, отсчитывать время и взвешивать равные тела. Поэтому все хорошо знают, что такое сантиметр, секунда и грамм. Но для физика эти измерения особенно важны — они необходимы для суждения о большинстве физических явлений. Расстояние, промежутки времени и масса, называемые основными понятиями в физике, люди стремятся измерять как можно точнее.

Современные физические приборы позволяют определить различие в длине двух метровых стержней, даже если оно меньше одной миллиардной доли метра. Можно отличить промежутки времени, различающиеся на одну миллионную долю секунды. Хорошие весы с очень большой точностью установят массу макового зернышка.

Техника измерений начала развиваться всего несколько сот лет назад, и относительно совсем недавно условились о том, отрезок какой длины и массу какого тела принять за единицу.

Почему же сантиметр и секунда были выбраны такими, какими мы их знаем? Ведь ясно, что особого значения не имеет, будет ли сантиметр или секунда длиннее.

Единица измерения должна быть удобной — больше никаких требований мы к ней не предъявляем. Очень хорошо, если единица измерений есть под руками. А проще всего взять за единицу измерения саму руку. Именно таким способом и поступали в древние времена; об этом свидетельствуют сами названия единиц, например «локоть» — расстояние от локтя до копчиков пальцев вытянутой руки, дюйм — ширина большого пальца у его основания. Для измерения использовали и ногу — отсюда название длины «фут» — длина ступни (по английски foot — ступня).

Хотя эти единицы измерения весьма удобны тем, что они всегда при себе, но недостатки их очевидны: слишком уж отличаются друг от друга люди, чтобы рука или нога могли служить не вызывающей споров единицей измерения.

С развитием торговли возникла необходимость договориться о единицах измерения. Сначала внутри отдельного рынка, затем для города, потом для всей страны и, наконец, для всего мира устанавливаются эталоны длины и массы. Эталон — это образцовая мера: линейка, гиря. Государство тщательно хранит эталоны, и другие линейки и гири должны изготавливаться в точном соответствии с эталонами.

В царской России основные меры веса и длины — они назывались фунт и аршин — были впервые изготовлены в 1747 г. В XIX в. требования к точности измерений возросли, и эти эталоны оказались несовершенными. Сложная и ответственная работа по созданию точных эталонов была выполнена в 1893–1898 гг. под руководством Дмитрия Ивановича Менделеева. Великий химик придавал большое значение установлению точных мер. По его почину в конце XIX в. была создана Главная палата мер и весов, где хранились эталоны и изготовлялись их копии.

Одни расстояния выражают в больших единицах, другие — в более мелких. В самом деле, не станем же мы выражать расстояние от Москвы до Ленинграда в сантиметрах и массу железнодорожного состава — в граммах. Поэтому люди условились об определенном соотношении крупных и мелких единиц. Как всем известно, в той системе единиц, которой мы пользуемся, крупные единицы отличаются от мелких в 10, 100, 1000 и вообще в любую степень от десяти раз. Такое условие очень удобно и упрощает все вычисления.