顽皮、幽默、好奇心、不畏权威......他是物理学史上最伟大的魔术师

果壳科学人05-17 07:59 跟贴 184 条

世界上有两种天才:普通的天才完成伟大的工作,但是让其他人觉得,如果自己足够努力的话,那样的工作他们也能完成;另一种天才则像魔术师,你完全无法想象他们所做的事情。费曼,就是一位魔术师。

——汉斯·贝特(1967年诺贝尔物理学奖得主)

理查德·费曼(Richard Feynman,1918年5月11日-1988年2月15日)曾经在一次采访中讲到这么一个故事:

我有一个朋友,他是个艺术家,他有些观点我真是不敢苟同。他会拿起一朵花说:“看,这花多美啊。” 是啊,花很美,我也会这么想。

他接着说:“你看,作为一名艺术家,我会欣赏它的美;而你是个科学家,只会职业性的层层剖析这朵花,让它变成一件枯燥的事。” 我觉得他在胡扯。

首先,他所看到的美,其他人都能看到,我也能看到。不过我可能没有他那么精妙的审美感受,但是毋庸置疑,我懂得欣赏花的美。而同时我还能看到更多的东西:我能想象花朵里面的细胞,细胞体内复杂的反应,它们也是一种美。这种美不尽然在这方寸之间,也存在于更小尺度的内部结构中。此外,一些进化过程也很有意思,比如一些花开始有了颜色,就是为了吸引昆虫为自己授粉;这意味着昆虫可以看到颜色。这又冒出一个问题——美学意义是否也存在于更低的形态中?

这些都非常的有趣,科学知识只会为这朵花增添神秘与光环,我不懂它如何能使其减少。

没错,这就是费曼。一位能够从一朵花、或一杯葡萄酒中读出整个宇宙的理论物理学家。

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费曼,出生于100年前。在1965年获得诺贝尔物理学奖的不久后,便在欧洲核子研究中心举行了一场讲座。图片来源:CERN

永无止境的好奇心

1918年5月11日,费曼出生于美国纽约的皇后区。从小就热爱科学的费曼很聪明,在孩童时并没有被贴上“天才”的标签。但是,小费曼与其他聪明的孩子的不同之处在于他对所有事物都非常好奇。费曼的好奇心使他一生在追求真理的途中,似乎被赋予了无穷无尽的精力。他总是乐此不彼地试图去理解身边的一切事物。

他的博士生导师约翰·惠勒曾回忆说:“费曼拥有着巨大的活力。他对各种问题都充满了兴趣。” 然而,费曼的好奇心并不止步于知道某个问题的解决放方法。惠勒说: “如果你说你已经有了某个问题的答案,他绝不会允许你将答案告诉他。他非得自己冥思苦想来找出答案才行。这是他在全新领域中保持前进的方式。”

而更可贵的是,费曼的好奇心让他不太在乎自己是否出错,而只是想要找到解决问题的办法。他当然知道自己有时也会犯错误。

敢于挑战权威

然而,纯粹的好奇心并不是使费曼成为传奇的唯一原因。他的身上还有一个非常难得的气质,就是无论面对物理学还是生活,都从不屈服于权威。他总是能够蔑视官僚主义、无视专家的意见,并敢于在最杰出的科学家面前提出不同见解。有次他读了一些专家的论文,结果发现它们是错的,这延缓了他对β衰变的放射性形式的理解。于是他发誓——之后再也不要因为“听信专家”而犯错了。

年轻的费曼就已经显露他在物理学上的非凡天赋,这使他在博士毕业之前便收到了“曼哈顿计划”的邀请。他的工作是帮助计算核爆炸的量级。(在曼哈顿计划期间,他与物理学家贝特共同推导出了“贝特-费曼效率公式”。)突然之间,费曼发现与自己同行的科学家是爱因斯坦、泡利等量子力学的先驱们。但即便当时只是一名初出茅庐的物理学家,费曼也毫不在乎与他打交道的是谁。

例如,他在曼哈顿计划总部所在的洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)期间,遇到了鼎鼎大名的物理学家玻尔(Niels Bohr)。当时,其他所有物理学家对玻尔都十分敬畏。然而在一次会议上,费曼却不惧权威不断地问玻尔各种问题。在下一次会议开始之前,玻尔将费曼单独请来聊天。玻尔的儿子,同时也是他的助理,回忆起父亲对这一行为的解释为:“他(费曼)是唯一一个不怕我的人,当我有一个疯狂的想法时,他会指出来。所以下次当我们想对某些想法进行讨论时,我们无法与那些对一切都说‘是的,玻尔博士’的人进行,我们得先和他谈谈。”

他就像是个不畏权贵的赤子,又是一个风趣搞怪的顽童。当他感到无聊时,他会在洛斯阿拉莫斯制造点麻烦,比如锁上一些抽屉、偷偷在下班时间跑进实验室、捉弄同事、给他们留下会误以为研究成果被间谍偷走的笔记等等。同时,他喜欢演奏邦戈鼓,1980年代,他的朋友以及鼓手 Ralph Leighton 将费曼逸闻趣事整理成了两本畅销的书籍:《别闹了,费曼先生!》(1985年)和《你干嘛在乎别人怎么想?》(1988)。

Ralph Leighton(左)与费曼(右)。图片来源:Caltech Archives

学术贡献

然而,在费曼玩世不恭的外表下,其实掩藏着的是一颗敏感善良的心。早期对原子弹的研发所作出的贡献让他深陷痛苦与自责中。这些内心的恶魔一直阻挠着他的研究进展。直到1947年,在纽约参加的一个研讨会上,物理学家兰姆(Willis Lamb)谈论了用狄拉克方程预测的氢原子的特定能级,与通过微波而激发的原子实验所得结果之间的差异。受到贝特对兰姆位移的快速计算,费曼发展了新的技巧来解决了这一问题,并将研究扩展到更广泛的带电粒子间的量子电动力学(QED)相互作用。

QED描述的是电子与光之间的相互作用。以经典物理学的标准来看,QED似乎很荒谬。例如,电子的行为在同一时间里表现得既像粒子又像波;而电子的反物质对应物——正电子,则可被看作是电子在朝着与时间箭头相反的方向运动;从一个点到另一个点的传播不是遵循一条简单的直线,而是沿着每条可能的路径前进。1965年,他因这项工作与另外两位分别独立提出QED的物理学家施温格(Julian Schwinger)和朝永振一郎,共同获得诺贝尔物理学奖。

费曼的QED是施温格发展出的令人望而生畏的数学理论的另一版本。在费曼的版本中,“费曼图”的发明让深奥晦涩的理论更加简洁易懂:在时空坐标上,线段代表电子和正电子的运动,波浪线代表光子的释放或吸收,环圈则表示一些更加神秘的相互作用。这些图形可以变得非常复杂,但与大量的数学相比,它们实在太简洁了。

费曼图:两个电子交换一个光子(左);右:引力子遇到量子涨落。图片来源:Olena Shmahalo/Quanta Magazine

通过费曼图,他描绘了可能的相互作用模式的全部范围,每一个都对“历史求和”的总绘景做出了贡献。除了在QED上的运用,费曼图还有许多其他运用。现在,这已成为粒子物理学家日常使用的标准工具了。

费曼出版过两本介绍这些量子方法的初级读物。一本是与Albert Hibbs合著的《量子力学和路径积分》(1965年),这本书从他最喜欢的实验装置之一——双缝实验开始,迅速转入路径积分和其他高等的方法。第二本是基于他课堂系列讲座的《QED》(1985年),这本书用图形和示例解释了相同的理论,因此它更易理解。

从上世纪50年代开始,费曼开始探索许多其他理论物理学的领域,其中包括超流体、超导、引力、质子和中子的成分(他称之为部分子,parton)。后来两篇引起巨大影响的论文是他的弱相互作用模型——《费米相互作用理论》,以及他对量子计算的提议——《用计算机模拟物理学》。在每项研究中,他都进行了各种变化和调试,直到得出明确的结论。1984年,他在一次演讲中对纳米技术的发展也做出了具有前瞻性的预言。

费曼在1962年做的笔记。图片来源:Caltech Archives

调查挑战者号


他是一个如此复杂的综合体,当你觉得他像个玩世不恭的坏小子时,却会发现他是最有气节、最正直、最诚实的科学家。1986年,费曼接受政府委派,要求担任政府调查委员会调查载有7名宇航员的航天飞机挑战者号灾难性事件的起因。那时他已身患有两种罕见的癌症,而且他生平最不爱与政府机构打交道。他曾给自己定过一个规则——绝对不“靠近”华盛顿地区。但他还是接受了这项任务。

当他前往调查时,感受到了官僚和政治带来的阻力,也察觉出问题的所在。这让他既沮丧又兴奋。很快,他用实验表明了在火箭助推器中的O形橡胶环在空气温度低于冰点时会失去伸缩性,使得热气从内部逸出,导致航天飞机的解体。而在挑战者号发射的当天早上,气温是低于零下的。

此外,他还展示了其他委员所欠缺的道德勇气,批评NASA的管理人员不接纳工程师的警告,并指出了造成系统故障的设计问题。他在NASA的这件愚蠢的灾难性惨剧结尾时说:“自然不能被愚弄。

如果说真有什么权威机构是让费曼信服的,那就是真相。而他对这一神圣不容侵犯的标准的虔诚,为他与科学赢得了世人的尊敬。

1986年6月,费曼与阿姆斯特朗在《挑战者号航天飞机事故总统委员会的报告》的新闻发布会上。

教育家

除了以上提到的,费曼还是一名出色的解说家和教育家。他认为,理解这个世界对于每一个人来说都是重要的,而不仅是对于科学家。

那些有幸听过他的讲座的学生无一不对他敏捷的思维感到赞叹。他在加州理工学院教授大学一年级的一个课程——“物理X”,在课堂上学生可以会问他任何问题。费曼喜欢沿用自己的学习习惯,他常常拒绝向学生直接提供解决方案,而是启发学生让他们自己思考。

费曼的课堂笔记被仔细记录并作为书籍和文章出版,其中一个版本就是加州理工学院著名的三卷《费曼物理学讲义》(1964)。另一本是1959年出版的《基本过程理论》,它是基于费曼于1958年去康奈尔大学担任访问讲师时,两名学生Peter Carruthers 和 Michael Nauenberg所做的笔记。另一部相关的作品叫《物理定律的本性》(1967),源自于六年后他在康奈尔大学所做的讲座。

在一次授课结束后,费曼与一位助教谈话。背景处的两人是 Robert Leighton 和 Matthew Sands。图片来源:California Institute of Technology.

费曼的伟大之处不仅仅体现在卓越的科学贡献上,他自由的思想、独特的人格魅力、不畏权威坚持质疑的精神、以及对科学简洁生动的解说,感染着所有的人。

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要成为像费曼这样的人,不说了,加油去()

【拓展阅读】理查德·费曼:我眼中的向日葵之美

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