费曼的一生传奇,在科学领域留下深刻印记,他的离去也让奥卢姆等人心怀悲痛,其故事宛如一首跌宕起伏的科学史诗。
有一天,高级理论家把一张纸揉成一团,递给他的助手,并命令把它扔进废纸篓。
“你为什么不自己扔呢?”助手回应。
“我的时间比你的更有价值,”费曼说。“我得到的报酬比你多。”
他们测量了从科学家到垃圾箱的距离,乘以工资,嘲笑他们对核科学的相对价值。于是助手保罗·奥卢姆(Paul Olum)扔掉了这张纸。
奥卢姆曾认为自己是哈佛大学最好的本科生数学家。他于 1940 年来到普林斯顿大学,成为惠勒的第二研究助理。惠勒把他介绍给了费曼,在几个星期内他就大受打击。
“这里发生了什么?”他想,“难道物理学家就是这样,是我错了吗?”
哈佛大学的物理学家没有一个是这样的。费曼,一个欢快的、像小男孩一样的存在,骑着自行车在校园里旋转,对现代高级数学的形式主义不屑一顾,在他周围的精神圈子里奔跑。他不是一个出色的计算者,奥卢姆知道那个游戏的诀窍。费曼仿佛来自火星,奥卢姆无法追踪他的思维。奥卢姆从未见过有人能如此直观地与自然相处——以及与自然中看似最不容易接近的表现形式相处。他怀疑,当费曼想知道一个电子在特定情况下会做什么时,他只会问自己:“如果我是一个电子,我会怎么做?”
费曼发现,在稀少的理论背景下对电子行为的直觉与预测,与金属和玻璃管以及电子器件组成的庞大的组合的行为之间存在巨大差异。他和奥卢姆匆匆忙忙地工作。他们从一开始就可以看出,威尔逊的想法介于可能和无望之间——但到底在哪一边呢?计算很糟糕。他们常常不得不求助于猜测和近似,而且很难看到哪些工作可以允许猜测,哪些需要严格的精确性。费曼意识到,他并不完全信任理论物理学,现在它的程序受到了如此无情的考验。与此同时,技术人员也在前进,他们不能再等待理论家的数字了。费曼想,这就像一部动画片;每当他环顾四周时,仪器上就会出现另一个管子或一组新的表盘。
威尔逊把他的机器称为同位素分析器(一个几乎没有意义的名字;他过去的导师欧内斯特·劳伦斯把一种与之竞争的设备称为电磁型同位素分离器,其名称 calutron 来源于加利福尼亚伯克利分校和回旋加速器)。在所有的分离方案中,威尔逊的同位素分析器对物理物体的普通直觉的依赖程度最低。它最接近于将原子视为波浪形电磁世界的居民,而不是被推来推去或从孔中挤过的微型球。等离子体首先蒸发和电离大块的铀,加热它们,直到它们放出一个电子,从而变得带电。然后磁场使它们运动起来。原子流通过一个夹层,将其组织成一束紧密的光束。然后是使同位素分析器从所有其他分离方案中脱颖而出的妙计,即费曼正在努力评估的那部分。
一个特别参差不齐的锯齿状振荡将在磁场中建立起来。在无线电波长下,电压会急剧上下波动。一些铀原子会在能量降至零时撞到磁场。然后一些后来的原子会在能量上升时进入磁场,它们会加速到足以追上第一个原子。然后能量会再次下降,因此下一个原子的速度会更慢。我们的目标是使光束分成几束,就像高速公路上的车流一样聚集在一起。威尔逊估计,这些光束将有大约 1 码长。最重要的是,由于铀 235 和铀 238 原子的质量不同,在磁场中的加速也不同,因此会在不同的位置聚集。威尔逊认为,如果实验人员能够掌握好时间,每种同位素的束状物应该是不同的,是可以分开的。当它们到达管子的末端时,另一个精确计时的振荡场就像一个绕道的旗手,将使成串的同位素交替地向左和向右偏移到等待的容器中。
复杂情况出现了。当离子自身的动量将它们推到一起时,它们的趋势也开始发挥作用。此外,一些原子在电离时失去的不是一个而是两个或更多的电子,使它们的电荷增加一倍或两倍,破坏了费曼的计算结果。当实验者尝试了比费曼最初计算的更高的电压时,他们发现,这些电束正在回弹,电波回弹并形成二次电波。费曼意识到这些次级效应也出现在他的方程式中,这让他感到有些震惊——只要他能说服自己相信它们。关于同位素分析器的一切都不简单,物理学家们不得不发明一种用铀粉代替铀丝送入机器的方法,因为铀丝有与电极合金化的倾向,会破坏它们。其中一位实验者发现,通过在铀丝的末端点燃火焰,他可以创造出耀眼的星星雨,这是一种异常昂贵的火花。
同时,该项目最大的敌人被证明是其最接近的竞争对手,即伯克利的劳伦斯实验室。他们想把等离子体吸收到自己的项目中去,关闭普林斯顿小组并为他们的电磁型同位素分离器吸收其工作人员和设备。电磁型同位素分离器同样使用了新的加速器技术来产生一束铀离子,却在一个 3 英尺的跑道上对它们进行加速。较重的原子在更远处摆动。轻的原子则紧紧地转到一个精心定位的收集器中。或者说,在理论上它们会这样。当曼哈顿项目的新负责人莱斯利·R. 格罗夫斯将军第一次开车从旧金山湾沿着蜿蜒的道路来到伯克利的辐射山时,他震惊地发现,如果没有放大镜的帮助,几乎看不到劳伦斯实验室的全部产品。更糟糕的是,这些微克级别的样品的纯度甚至还不到一半。
即便如此,它们还是超过了普林斯顿小组的总产量。1942 年底,费曼乘火车把等速器生成的极少量样品运到哥伦比亚大学进行分析,普林斯顿大学没有能够测量一小块铀中同位素比例的设备。他穿着破旧的羊皮大衣,很难在大楼里找到愿意认真对待他的人。他带着他的放射性碎片四处游荡,直到最后看到了一个他认识的物理学家——哈罗德·尤里(Harold Urey),他把尤里拉到身边。尤里是一位杰出的物理学家,恰好,他的科学讲座是费曼听过的第一个科学讲座。
尤里曾经在布鲁克林就重水问题进行了公开演讲,与比利时热气球运动员奥古斯特·皮卡德的妻子一起同台分享。最近,费曼通过参加曼哈顿项目事实上的指导委员会的会议认识了尤里。通过这种方式,他也第一次见到了拉比、理查德·托尔曼,以及一位与费曼如此相似却又如此不同的物理学家——J. 罗伯特·奥本海默,他将在接下来的三年里掌控费曼的命运。
在费曼携带铀前往哥伦比亚大学后不久,这些人就普林斯顿大学的同位素分析器冒险做出了最后决定。根据名义上负责所有电磁分离研究的劳伦斯的建议,他们关闭了普林斯顿的项目。在操作上,电磁型同位素分离器似乎领先了一整年,而且必须将资金投入更传统的扩散方法中,用泵和管道代替磁铁和磁场,原子在随机的轨道中漂移,上面有数十亿个微孔。威尔逊惊呆了。他认为委员会的行为不仅是仓促的,而且是歇斯底里的。在他的资深同事看来,威尔逊似乎输给了他以前的导师劳伦斯的个人力量和推广技巧。史密斯和维格纳都私下里觉得,如果有更充分的试验,可以想象,同位素分析器可能会缩短战争。“
劳伦斯的电磁型同位素分离器只是用原始的蛮力把光束撬开了一点儿,”一位年轻的团队成员说,“我们的方法很优雅。”把它扩大到大规模生产所需的规模——数千台巨大的机器,同位素分析器承诺的产量要大很多倍。
费曼为一个巨大的制造厂的设计进行了详细的计算,同位素分析器在一个纯度越来越高的“级联”中工作。他考虑到了从墙面刮痕到工人衣服中流失的铀等一切因素。他设想了由几千台机器组成的阵列——但从后来的现实来看,这被证明是一个适度的规模。
对费曼来说,普林斯顿项目的收获之一是建立了与奥卢姆的友谊,这种友谊与他后来的许多友谊一样,在智力上是丰富的,在情感上是不平等的。与费曼的接触在许多年轻的物理学家和数学家身上留下了痕迹,在明亮的光线下,在他们的人生中第一次被人超越。他们找到了适应这种新环境的不同方式。一些人视自己的能力在费曼之下,接受他偶尔的戏谑性辱骂,以换取他的赞美所带来的令人惊讶的快乐。一些人发现他们的自我形象发生了足够的变化,以至于他们完全放弃了物理学。奥卢姆最终回到了数学领域,他在那里更自在。
在整个战争期间,他与费曼一起工作,然后费曼就渐渐离开了。在接下来的 40 年里,他们只见过几次面。不过,奥卢姆经常想起他的老朋友。当听到费曼的死讯时,他是俄勒冈大学的校长。他意识到,他在普林斯顿大学遇到的这位年轻的天才已经成为自己的一部分,他无法自拔。他说:“我的妻子三年前去世了,也是死于癌症。”
……我经常想起她。我必须承认,我有迪克所有的书和其他跟他有关的东西。我有他全部的课程讲义,还有很多印有迪克照片的物品,还有《科学》杂志上刊登的关于他调查“挑战者号”的事迹的文章,以及一些最近的书。
每当我看着这些东西,我总会感到悲伤。像迪克这样的人怎么会死呢?这样伟大、杰出的头脑,这种对事物和能力的强大体悟,在世界上再也找不到了。
这种感觉真是很糟糕。我知道有人死去的感受,我的父母和我的弟弟已经去世。但让我有这种极端悲痛感的只有两个人,一个是我的妻子,另一个是迪克。
虽然我们小时候不认识,但我们是研究生时期的同学,对于迪克,我确实有更多浪漫或其他的感觉——我说不清。我很难接受他死去的消息。他是宇宙中无与伦比的人。
上文转自图灵新知,节选自《费曼传》,【遇见数学】已获转发许可。
作者:[美] 詹姆斯·格雷克
译者:高爽 赵晓蕊
什么是天才?当众人只会用棍棒时,费曼有了一副弓箭。
有趣,有趣,还是有趣:天才?小丑?偶像?费曼是天才中的“魔法师”,有趣的灵魂无人能及。他的热情和活力为科学界带来光芒,个人生活却别有风景。
人类史上不灭的印记:从科学家到大众,在他参与的每一件事和接触过的每一个人身上,费曼都留下了印记。这是费曼的传记,也是那个时代的科学群英图。