Квасников И.А. Молекулярная физика

Содержание

Предисловие

Предлагаемая книга задумывалась автором как пособие для старшеклассников, обучающихся в школах с повышенным уровнем подготовки по физике и математике. В российскую практику в последнее время все более и более входит так называемое "среднее образование по выбору" (специализированные лицеи, профилированные, в частности физико-математические школы и т.д.). И хотя по глубокому убеждению автора наиболее эффективное обучение (на любой его стадии), наиболее полное осознание изучаемого материала реализуется при непосредственном контакте учащегося с педагогом, лектором, профессором и при непременном условии высокого профессионализма последних, т.е. когда роль учебного пособия вторична, значение такого пособия в восприятии изучаемого предмета все же достаточно велико. Пособие позволяет учащемуся спокойно, без спешки и без прямого давления авторитетного педагога продумать отдельные моменты, возвратиться к пройденному материалу, что-то принять, с чем-то согласиться и в конце концов выработать свое окончательное отношение к рассматриваемому вопросу. Настоящее пособие предназначается тем, кто способен к такой работе и кто хотел бы в будущем продолжать свое образование в области физико-математических наук на университетском уровне.

Тематика пособия, обозначенная как "Молекулярная физика", не означает, что она включает в себя все о молекулах. Этот раздел физики посвящен тем свойствам окружающих нас тел, которые связаны с их молекулярной структурой и происходящим в них молекулярным движением, особенности которого определяются исключительно многотельностью макроскопических объектов. (Свойствам же отдельных молекул, их строению и происходящим в них процессам посвящен раздел, называемый атомной физикой.) Явления, связанные с тепловым движением систем, состоящих из большого числа частиц, достаточно характерны и в привычную схему механики не укладываются. Поэтому очень важны вопросы постановочного характера, связанные с аксиоматикой данного раздела физики. Уделяя этим вопросам особое внимание, автор постарался приблизить их изложение к уровню, принятому в современной науке.

Не имея оснований рассчитывать на подготовленного в математическом отношении читателя, автор включил в пособие восемь математических дополнений, в которых в доступной форме (без особой математической строгости) изложил совершенно необходимые для формулировки теории минимальные сведения, касающиеся дифференциального исчисления и теории вероятностей, без использования основных понятий которой невозможно построение микроскопической теории теплового движения. Это позволило не только использовать математическую форму при записи основных соотношений теории и решении простейших задач, но (что существенно) и выстроить весь раздел молекулярной физики в той логической последовательности, в которой он воспринимается на уровне современных научных представлений.

Конечно, если открыть настоящее пособие где-нибудь в середине, то можно увидеть интегралы и все, что им сопутствует, так что совсем неподготовленного читателя это может и отпугнуть. При последовательном же чтении обнаруживается, что прежде чем в тексте появятся какие-либо элементы высшей математики, читатель познакомится с математическим дополнением, в котором будут даны необходимые пояснения. Автор не принимает упрека – "слишком много математики", он скорее согласится с обратным упреком – "недостаточно полно и строго". Он допускает, что математики также будут недовольны отсутствием строгих доказательств, теорем Эйлера и Вейерштрасса, а также аксиоматики Колмогорова. Тот математический аппарат, который использован в книге – это для нас, физиков обычная наша повседневность, это язык физики, органически связанный со всей ее идеологией, и чем раньше учащийся им практически овладеет, тем полнее он будет воспринимать не только раздел молекулярной физики, но также и механику, теорию электричества и магнетизма и т.д. Высокая математическая культура для учащихся обсуждаемого здесь уровня – это дело будущего, и нет ничего страшного в том, что практическое овладение элементами высшей математики произойдет немного раньше. В конце концов, ребенок начинает двигать руками и ногами, ползать и даже ходить, совершенно не подозревая о существовании теории рычагов, и неразумно упрекать его за то, что, хватая рукой любимую игрушку, он не ссылается на правило рычага Архимеда.

Предлагаемое пособие – это не "решебник" стандартных задач, не сборник формул для заучивания и типовых рецептов для запоминания. Это книга другого типа, в которой особое внимание уделено идеям молекулярной физики, основаниям ее теории, ее трудностям, области ее применимости. В пособиях для "ускоренного" обучения эти вопросы почти не затрагиваются, их задача – по известной методике "накачать" стандартный набор сведений с целью научить решать типовые задачи. Этот способ обучения (как бы научный бодибилдинг) эффективен, обеспечивает потребительский уровень профессионализма и принят в ряде развитых стран (людей же с новыми идеями и творчески одаренных проще пригласить извне, соответственно обеспечивая их материально). Русская традиция среднего и высшего образования несколько иная, она как бы шире по спектру (во многих отношениях), она давала в недавнем прошлом неплохие результаты, и это касается не только физики, но и всех отраслей науки и культуры.

В книге много словесного материала. Это связано, во-первых, со спецификой молекулярной физики, многие положения которой формулируются именно на словах, во-вторых, с упомянутым выше принятым стилем пособия (не справочник рецептов, а скорее книга для чтения), и, наконец, с уступкой возможностям предполагаемого читателя.

Теперь об уровне предлагаемого пособия. Да, он выше, чем это предусмотрено стандартной программой, он может быть даже местами выше возможностей усредненного школьника. Автор считает, что допустить такое превышение лучше, чем дать точную дозу (если таковая вообще существует). Наука – это не медицинский препарат, подлежащий спецхранению и учету. Чем больше в ней проблем, нерешенных вопросов, тем она интереснее, и не надо бояться сказать о ней больше, чем это положено по регламенту. Ведь на то и в крыловской тройке был лебедь, чтобы тянуть вверх, а уж раки и щуки найдутся всегда (и в изобилии). Впрочем, при первом чтении пособия часть материала (в частности, более сложные прикладные вопросы) можно опустить, это не повредит дальнейшему его изучению, но сократит на первое время общий объем.

152.5mm 1Отметим, что материал расположен так, что его сложность монотонно возрастает. Автор даже пошел на включение не только математических дополнений, выходящих за рамки школьной программы, но и описание физических явлений и постулатов, не включаемых в раздел молекулярной физики и в какой-то мере ее опережающих. Приведем пример. Гипотеза квантов, высказанная Планком в 1900 г., была научно подтверждена лишь через четверть века – 25 лет человечество пользовалось этим понятием, и ничего плохого от этого не случилось. Наоборот, гипотеза в значительной мере стимулировала развитие атомной физики и появление самой квантовой механики. Автор не видит ничего предосудительного в том, что, вводя без доказательства некоторые общие сведения квантовомеханического характера, он использует их при рассмотрении проблем, непосредственно относящихся к проявлению теплофизических свойств рассматриваемых систем.

В тематическом плане, как это следует уже из подробного оглавления книги, автору удалось охватить большой круг явлений, связанных с макроскопическими проявлениями молекулярного движения (исключение составляют лишь случайные процессы и броуновское движение, которые требуют для своего корректного описания привлечения достаточно сложного для школьников и "объемного" математического аппарата). Особенностью данного пособия является также и то, что значительное (более 40% объема) место в нем уделено микроскопической теории, изложенной в доступном для читателя неквантовом варианте и в основном для идеального газа, а также приведенный в последнем параграфе (заключении) краткий обзор актуальных проблем, трудностей и основных направлений развития современной молекулярной физики.

Подводя итог всему сказанному, вернемся снова к вопросу, кому адресовано настоящее учебное пособие. Прежде всего – школьникам, стремящимся продолжить свое образование в области физико-математических наук на университетском уровне. Конечно же, – и преподавателям, ведущим соответствующую дисциплину, которые могут даже расширить его тематику за счет проблем, представленных в заключительном параграфе книги. Автор не может не согласиться с мнением рецензентов, полагающих, что данное пособие может пригодиться и студентам естественных факультетов нефизических специализаций, математическая подготовка которых на младших курсах еще невелика и для которых дефицит учебных пособий по молекулярной физике, входящей в состав обязательного курса общей физики, в достаточной мере ощутим.

Автор приносит искреннюю благодарность рецензентам пособия профессорам физического факультета МГУ члену-корреспонденту РАН В. Б. Брагинскому, С. С. Кротову и особенно А. И. Осипову, обсуждение отдельных вопросов с которыми и существенная моральная поддержка способствовали формированиюнастоящего пособия, а также редактору Р. А. Бунатян, без энергичных усилий которой, взаимопонимания с автором и большой технической работы это издание могло бы вообще не состояться.

Хочется особо отметить редкое в наше время внимание, проявленное лично к автору и к его работе со стороны руководителя издательства УРСС Доминго Марин Рикой и всего коллектива издательства, благодаря усилиям которых работа по изданию данного пособия, причем практически в безукоризненном исполнении, была доведена до полной реализации.

Об авторе

Авторитетный специалист в области статистической физики, опытный преподаватель и методист.

С 1962 года является ведущим лектором и преподавателем по курсу "Термодинамика и статистическая физика" для студентов 4-го года обучения на физическом факультете МГУ им.М.В.Ломоносова и по курсу квантовой статистики для студентов-теоретиков 5-го года обучения.

В 1992 году автор был удостоен Ломоносовской премии "За создание уникального курса и учебного пособия по статистической физике и термодинамике", которое стало первым учебным пособием, удостоенным этой премии; а также удостоен звания "Заслуженный преподаватель МГУ".