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出版者:Springer

作者:Leach Albert, Javier; Monien, Burkhard; Rodriguez Artalejo, Mario

出品人:

页数:775

译者:

出版时间:1991-7-17

价格:USD 106.00

装帧:Paperback

isbn号码:9783540542339

丛书系列:

图书标签:

• 自动机
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• 理论计算机科学

经典物理学前沿探索：从牛顿到量子 图书名称： 经典物理学前沿探索：从牛顿到量子 作者： [此处留空，以增加真实感] 出版年份： [此处留空，以增加真实感] --- 导言：宏观世界的坚实基石与微观世界的迷雾开端 本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，审视自十七世纪科学革命以来，经典物理学如何建立起我们对宏观物质世界运行规律的理解，以及这种理解是如何在十九世纪末期，面对全新的实验现象时，开始显现出其内在的局限性，并最终为二十世纪的量子革命铺平了道路。我们不会探讨形式语言、图灵机或计算复杂性理论，而是将全部篇幅聚焦于物质、能量、时空以及它们之间相互作用的物理机制。 本书的结构清晰，分为三个主要部分：第一部分 奠定牛顿力学的经典基础；第二部分 扩展至电磁学和热力学两大支柱，描绘了一个完备的经典宇宙图景；第三部分 则深入剖析了这些经典理论在面对极端条件（高速、微观尺度）时所遭遇的危机，并引介了预示新物理学诞生的关键实验成果。 --- 第一部分：力学与万有：牛顿体系的构建与延伸 (约 400 字) 本部分将从伽利略的实验观察出发，系统梳理艾萨克·牛顿爵士的经典力学体系。我们将详细分析牛顿三大运动定律在惯性系中的严格表述，并阐明动量、角动量和能量作为基本守恒量在孤立系统中的核心地位。 重点内容包括： 1. 精确的运动描述： 如何利用微分方程描述物体的瞬时状态变化。拉格朗日力学和哈密顿力学的引入，将展示如何通过能量泛函而非直接的力来重构动力学，为后续处理更复杂的场论问题打下数学和概念基础。 2. 万有引力定律的几何意义： 分析开普勒定律如何自然地导向平方反比的引力定律。本书将深入探讨开普勒轨道（椭圆、抛物线、双曲线）的物理意义，以及引力在星系尺度上的应用。 3. 刚体与流体的基础： 探讨理想流体（如欧拉方程）的运动特性，以及在非理想情况下粘性对流动的影响。同时，分析刚体转动惯量的计算及其在陀螺仪等精密仪器中的应用。 本部分旨在确立一个稳固的、基于绝对时空观的宏观世界框架，这是理解后续物理学进展的必要前提。 --- 第二部分：场论的兴起：电磁学与热力学 (约 550 字) 经典物理学的第二次飞跃，体现在对“场”这一概念的深刻理解上，这主要通过电磁学和热力学两大领域的成熟来实现。 电磁学的统一： 我们将追溯从库仑定律到法拉第感应定律的历程。核心内容将聚焦于詹姆斯·克拉克·麦克斯韦如何将看似分离的电现象、磁现象和光学现象统一在四个著名的偏微分方程组之中。本书将细致分析： 麦克斯韦方程组的完整形式： 探讨引入“位移电流”的革命性意义，以及如何由此预言了电磁波的存在，并精确计算出其速度，使其与光速吻合。 场的传播与边界条件： 分析电磁波在不同介质界面上的反射与折射，几何光学（费马原理）如何成为电磁波在宏观尺度下的近似。 洛伦兹力与相对论的伏笔： 观察电磁场如何对运动电荷施加作用力，并初步讨论速度依赖性对经典概念的潜在挑战。 热力学与统计力学的桥梁： 热力学部分侧重于能量、熵和宏观平衡态。 1. 热力学定律的严格阐述： 深入讨论热力学第一定律（能量守恒）和第二定律（熵增原理）的不可逆性。熵的概念将被置于核心地位，探讨其作为系统无序程度的物理量度。 2. 统计力学的开端： 为了从微观分子运动解释宏观热现象，本书将介绍玻尔兹曼的贡献，特别是《气体动力学理论》。我们将分析理想气体状态方程的推导，以及宏观量（如温度、压力）如何由大量粒子微观态的统计平均得到。 这一部分描绘了一个机械决定论与统计概率并存的宏大物理图景，似乎已臻完善。 --- 第三部分：危机的显现与古典物理学的终结 (约 550 字) 本书的最后部分，是物理学史上最引人入胜的转折点——经典物理学如何在其引以为傲的领地内遭遇不可逾越的障碍，并迫使科学家们寻求根本性的突破。 经典力学与电磁学的冲突： 1. 以太的困境与迈克尔逊-莫雷实验： 详细回顾十九世纪为解释光传播介质“以太”所做的努力，并着重分析迈克尔逊-莫雷实验的零结果，这一结果直接否定了绝对静止参考系的存在，挑战了牛顿的时空观。 2. 黑体辐射的“紫外灾难”： 阐述将电磁场视为连续振子的经典理论，在预测黑体辐射谱时，导致高频部分能量趋于无穷大的荒谬结果。我们将介绍普朗克为解决此问题而引入的“能量量子化”假设——一个纯粹为拟合实验数据而生的数学技巧，却无意中开启了全新的物理学纪元。 3. 光电效应的悖论： 分析经典电磁学无法解释光照金属表面电子发射的频率依赖性。只有将光本身视为由光量子（光子）组成的粒子流，才能合理地解释实验观测。 对绝对时空观的根本动摇： 狭义相对论的诞生： 虽然爱因斯坦的狭义相对论（建立在光速不变和相对性原理之上）是对经典物理学局限性的回应，但其核心思想——时空与物质运动相互关联——彻底颠覆了牛顿体系中绝对空间和绝对时间的观念。本书将简要分析质能等效性（$E=mc^2$）的物理意义，强调其对核物理的深远影响。 热力学的微观极限： 简要提及经典统计力学在处理微观粒子（如电子）时的失败，尤其是在涉及低温或高密度系统时，需要引入泡利不相容原理等概念来修正，这些修正最终导向了量子统计的必要性。 总结与展望 (约 50 字) 本书最终展示了经典物理学作为一个局部、宏观的近似理论的伟大成就。通过揭示其在时间和空间极限上的失效，我们得以清晰地看到，从牛顿的钟表宇宙到麦克斯韦的场统一论，最终导向了二十世纪物理学的两大支柱——相对论与量子力学——的必然崛起。 --- 本书适合具有扎实微积分和基础物理学背景的本科生、研究生以及致力于深入理解科学史和物理学基础概念的爱好者阅读。内容侧重于概念的严谨推导与实验的物理诠释，完全不涉及现代计算机科学中的抽象代数结构或算法分析。

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