歷數費恩曼(R. P. Feynman)十條大貢獻

历数费恩曼(R. P. Feynman)十条大贡献

历数费恩曼(R. P. Feynman)十条大贡献

費恩曼把他的一生,都獻給了物理學的研究和教育事業。以下模仿朗道石碑,介紹他的一些主要成就。其中,括號裡的年份為費恩曼正式在刊物上發表論文的時間。現按照費恩曼本人認可的重要性,將成果從高往低排序。

一、費恩曼物理學講義(1965 年)

費恩曼認為他對物理學最重要的貢獻不是量子電動力學,或超流理論,或極化子,或部分子,他的首要貢獻是三卷《費恩曼物理學講義》。它們已被譯成10種不同的語言,並且還有四種雙語版。

該書起因於20 世紀60 年代,美國大學物理教學改革試圖解決的一個主要問題是:基礎物理教學應儘可能反映近代物理的巨大成就。

這三卷講義中對許多問題的處理,反映了費恩曼自己以及其他在前沿研究領域工作的物理學家所慣常採用的分析方法。費恩曼在前言中寫道:“我講授的主要目的,不是幫助你們應付考試,也不是幫助你們為工業和國防服務。

我最希望做到的是,讓你們欣賞這奇妙的世界以及物理學家觀察它的方法。”全書是根據費恩曼課堂講授的錄音整理編輯而成,因而保留了費恩曼的生動活潑、引人入勝、論述精闢和富於啟發的獨特風格。

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二、弱相互作用理論(1958 年)

費恩曼受李政道和楊振寧於1956 年發表的關於基本粒子弱相互作用宇稱不守恆的工作啟發,他與諾貝爾物理學獎獲得者、被譽為夸克之父的蓋爾曼(Murray Gell-Mann,1929— ) 合作,闡述了弱作用的“普適V -A 理論”

這裡V 代表矢量,A 代表軸矢量。提出了“矢量流守恆”的假設,這裡指的是,中子b 衰變的矢量耦合常數與m 子衰變矢量耦合常數相等。費恩曼對他的這一成果非常得意,覺得:“這是我第一次發現一條新的定律。”所以,本書把它列在第二位。

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(圖示:路徑積分法在非線性隨機動力中的應用)

三、路徑積分(1948 年)

費恩曼在1947 年春天對他的博士論文進行了修改,使之成為一種普遍性的理論。這篇發表在1948 年《現代物理評論》上,題為《非相對論性量子力學的時間—— 空間方法》的總結性論文

第一次公開闡述他所創立的量子力學路徑積分方法,即把從初始態到終末態的,所有在空間— 時間中的可能路徑所貢獻的振幅都疊加或者積分起來,以構成總振幅。

費恩曼實際上找到了建立量子力學的一種等價方法,即有別於海森伯(W.C. Heisenberg,1901—1976) 1925 年建立的“矩陣力學”和薛定諤(E.Schrödinger,1887—1961)1926 年建立的“波動力學”,可稱為量子力學的第三種形式

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(費恩曼圖)

四、費恩曼圖(1962 年)

費恩曼發展了一種圖形技術,能夠大大地簡化微擾計算的分析,這就是被普遍運用的“費恩曼圖”。在這個圖中,用順時針方向的線段代表電子的運動,用逆時針方向的線段代表正電子,即電子的反粒子的運動。

由於這是一種相對論性的理論,在圖形中的每個節點的空時座標,在計算中都要對整個空間時間積分。因此,在對由一個圖形代表的那項的全部積分中,就包括了所有各個節點的時間先後次序各不相同的貢獻。這種方法不僅適用於量子電動力學,即電子與光子相互作用的理論,也適用於介子理論的微擾計算。

五、部分子模型(1968 年)

早在20 世紀60 年代,費恩曼曾用直觀圖像描述高能強子之間的相互作用,認為其是通過強子內部的組成部分來完成的,他把這些組成部分稱為部分子。

1968 年8 月,費恩曼來到美國著名的斯坦福直線加速器中心(Stanford Linear Accelerator Center,SLAC) 的實驗小組,人們向他展示了電子與質子深度非彈性的反常結果,並告訴他用標度無關性作出的解釋。

費恩曼把質子看成是部分子(類點粒子) 的複合體,把電子質子的深度非彈性散射看成是電子與部分子發生彈性散射。其實,費恩曼的部分子模型與蓋爾曼的夸克模型有異曲同工之處,他們從不同角度用不同方法達到了相同結論。原來部分子和夸克是一回事。

六、超流問題(1957 年)

液態氦24He 在溫度2:19K 以下,會發生完全無阻尼的流動,這種現象稱為超流。費恩曼從1953 年到1957 年期間研究超流問題。他認為以往的理論不夠完整,因此用路徑積分和量子統計的方法從頭計算。定性預言了在低溫下,系統

會從常流體到超流體的相變。

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七、量子引力理論(1962 年)

費恩曼從20 世紀60 年代致力於將廣義相對論與量子論結合起來,他堅信引力波的存在。他的工作一方面用關於引力子的量子場論的方法重新給出了廣義相對論裡的基本方程

另一方面則是進一步對微擾計算中所涉及的某些關鍵圈圖的發散性質進行討論,對量子引力問題做了基礎性的工作。特別是在1962年,費恩曼首次用路徑積分處理了引力理論中的規範不變性。

八、輻射的相互作用理論(1945 年)

經典電磁場理論存在電子自能無限大的困難,費恩曼試圖取消電磁場,但又要反映電磁作用的有限傳播速度(光速),即在時間上的“推遲”。

他使用一半推遲解,一半超前解,並且假定所有的作用源都被一種完全的吸收體環繞,輻射阻尼就可以看作是由吸收體的電荷以超前波形式對作用源的一種反作用。

從而,在費恩曼的這種電磁學理論中,既不出現電磁場,也不出現電荷對自身的作用。這一工作的主要部分,以費恩曼和惠勒聯名的形式發表在1945 年的《現代物理評論》上。

九、“曼哈頓計劃”(1945 年)

早在1942 年初,費恩曼與理論物理學家貝特(H. A. Bethe, 1906—2005)合作,在核武器的早期階段,推導出適用於任何質量範圍的爆炸效率公式,它一直延用到現在,被稱為“貝特--費恩曼公式”。

十、多學科和社會貢獻(1945—1986 年)

20 世紀50 年代,費恩曼也提出過超導電性的玻色氣體模型。超導體的電子是費米子,服從量子統計中的費米--狄拉克統計。

另外,費恩曼對科學普及有著巨大的成就,他著有四本重要的學術著作:《量子電動力學》《量子力學與路徑積分》《光子強子相互作用》《統計力學》;編寫了《物理定律的本性》《愛開玩笑的科學家》《你在乎別人怎麼想?》《費恩曼講物理》《費恩曼講相對論》等科普冊子。

:包景東

圖源:網絡


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