05.11 物理學史上最偉大的魔術師

世界上有兩種天才:普通的天才完成偉大的工作,但是讓其他人覺得,如果自己足夠努力的話,那樣的工作他們也能完成;另一種天才則像魔術師,你完全無法想象他們所做的事情。費曼,就是一位魔術師。

——漢斯·貝特(1967年諾貝爾物理學獎得主)

理查德·費曼(Richard Feynman,1918年5月11日-1988年2月15日)曾經在一次採訪中講到這麼一個故事:

我有一個朋友,他是個藝術家,他有些觀點我真實不敢苟同。他會拿起一朵花說:“看,這花多美啊。” 是啊,花很美,我也會這麼想。

他接著說:“你看,作為一名藝術家,我會欣賞它的美;而你是個科學家,只會職業性的層層剖析這朵花,讓它變成一件枯燥的事。” 我覺得他在胡扯。

首先,他所看到的美,其他人都能看到,我也能看到。不過我可能沒有他那麼精妙的審美感受,但是毋庸置疑,我懂得欣賞花的美。而同時我還能看到更多的東西:我能想象花朵裡面的細胞,細胞體內複雜的反應,它們也是一種美。這種美不盡然在這方寸之間,也存在於更小尺度的內部結構中。此外,一些進化過程也很有意思,比如一些花開始有了顏色,就是為了吸引昆蟲為自己授粉;這意味著昆蟲可以看到顏色。這又冒出一個問題——美學意義是否也存在於更低的形態中?

這些都非常的有趣,科學知識只會為這朵花增添神秘與光環,我不懂它如何能使其減少。

沒錯,這就是費曼。一位能夠從一朵花、或一杯葡萄酒中讀出整個宇宙的理論物理學家。

物理學史上最偉大的魔術師

△ 費曼,出生於100年前。在1965年獲得諾貝爾物理學獎的不久後,便在歐洲核子研究中心舉行了一場講座。| 圖片來源:CERN

【永無止境的好奇心】

1918年5月11日,費曼出生於美國紐約的皇后區。從小就熱愛科學的費曼很聰明,在孩童時並沒有被貼上“天才”的標籤。但是,小費曼與其他聰明的孩子的不同之處在於他對所有事物都非常好奇。費曼的好奇心使他一生在追求真理的途中,似乎被賦予了無窮無盡的精力。他總是樂此不彼地試圖去理解身邊的一切事物。

他的博士生導師約翰·惠勒曾回憶說:“費曼擁有著巨大的活力。他對各種問題都充滿了興趣。” 然而,費曼的好奇心並不止步於知道某個問題的解決放方法。惠勒說: “如果你說你已經有了某個問題的答案,他絕不會允許你將答案告訴他。他非得自己冥思苦想來找出答案才行。這是他在全新領域中保持前進的方式。”

而更可貴的是,費曼的好奇心讓他不太在乎自己是否出錯,而只是想要找到解決問題的辦法。他當然知道自己有時也會犯錯誤。

【敢於挑戰權威】

然而,純粹的好奇心並不是使費曼成為傳奇的唯一原因。他的身上還有一個非常難得的氣質,就是無論面對物理學還是生活,都從不屈服於權威。他總是能夠蔑視官僚主義、無視專家的意見,並敢於在最傑出的科學家面前提出不同見解。有次他讀了一些專家的論文,結果發現它們是錯的,這延緩了他對β衰變的放射性形式的理解。於是他發誓——之後再也不要因為“聽信專家”而犯錯了。

年輕的費曼就已經顯露他在物理學上的非凡天賦,這使他在博士畢業之前便收到了“曼哈頓計劃”的邀請。他的工作是幫助計算核爆炸的量級。(在曼哈頓計劃期間,他與物理學家貝特共同推導出了“貝特-費曼效率公式”。)突然之間,費曼發現與自己同行的科學家是愛因斯坦、泡利等量子力學的先驅們。但即便當時只是一名初出茅廬的物理學家,費曼也毫不在乎與他打交道的是誰。

例如,他在曼哈頓計劃總部所在的洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)期間,遇到了鼎鼎大名的物理學家玻爾(Niels Bohr)。當時,其他所有物理學家對玻爾都十分敬畏。然而在一次會議上,費曼卻不懼權威不斷地問玻爾各種問題。在下一次會議開始之前,玻爾將費曼單獨請來聊天。玻爾的兒子,同時也是他的助理,回憶起父親對這一行為的解釋為:“他(費曼)是唯一一個不怕我的人,當我有一個瘋狂的想法時,他會指出來。所以下次當我們想對某些想法進行討論時,我們無法與那些對一切都說‘是的,玻爾博士’的人進行,我們得先和他談談。”

他就像是個不畏權貴的赤子,又是一個風趣搞怪的頑童。當他感到無聊時,他會在洛斯阿拉莫斯製造點麻煩,比如鎖上一些抽屜、偷偷在下班時間跑進實驗室、捉弄同事、給他們留下會誤以為研究成果被間諜偷走的筆記等等。同時,他喜歡演奏邦戈鼓,1980年代,他的朋友以及鼓手 Ralph Leighton 將費曼逸聞趣事整理成了兩本暢銷的書籍:《別鬧了,費曼先生!》(1985年)和《你幹嘛在乎別人怎麼想?》(1988)。

物理學史上最偉大的魔術師

△ Ralph Leighton(左)與費曼(右)。| 圖片來源:Caltech Archives

【學術貢獻】

然而,在費曼玩世不恭的外表下,其實掩藏著的是一顆敏感善良的心。早期對原子彈的研發所作出的貢獻讓他深陷痛苦與自責中。這些內心的惡魔一直阻撓著他的研究進展。直到1947年,在紐約參加的一個研討會上,物理學家蘭姆(Willis Lamb)談論了用狄拉克方程預測的氫原子的特定能級,與通過微波而激發的原子實驗所得結果之間的差異。受到貝特對蘭姆位移的快速計算,費曼發展了新的技巧來解決了這一問題,並將研究擴展到更廣泛的帶電粒子間的量子電動力學(QED)相互作用。

QED描述的是電子與光之間的相互作用。以經典物理學的標準來看,QED似乎很荒謬。例如,電子的行為在同一時間裡表現得既像粒子又像波;而電子的反物質對應物——正電子,則可被看作是電子在朝著與時間箭頭相反的方向運動;

從一個點到另一個點的傳播不是遵循一條簡單的直線,而是沿著每條可能的路徑前進。1965年,他因這項工作與另外兩位分別獨立提出QED的物理學家施溫格(Julian Schwinger)和朝永振一郎,共同獲得諾貝爾物理學獎。

費曼的QED是施溫格發展出的令人望而生畏的數學理論的另一版本。在費曼的版本中,“費曼圖”的發明讓深奧晦澀的理論更加簡潔易懂:在時空座標上,線段代表電子和正電子的運動,波浪線代表光子的釋放或吸收,環圈則表示一些更加神秘的相互作用。這些圖形可以變得非常複雜,但與大量的數學相比,它們實在太簡潔了。

物理學史上最偉大的魔術師

△ 費曼圖:兩個電子交換一個光子(左);右:引力子遇到量子漲落。| 圖片來源:Olena Shmahalo/Quanta Magazine

通過費曼圖,他描繪了可能的相互作用模式的全部範圍,每一個都對“歷史求和”的總繪景做出了貢獻。除了在QED上的運用,費曼圖還有許多其他運用。現在,這已成為粒子物理學家日常使用的標準工具了。

費曼出版過兩本介紹這些量子方法的初級讀物。一本是與Albert Hibbs合著的《量子力學和路徑積分》(1965年),這本書從他最喜歡的實驗裝置之一——雙縫實驗開始,迅速轉入路徑積分和其他高等的方法。第二本是基於他課堂系列講座的《QED》(1985年),這本書用圖形和示例解釋了相同的理論,因此它更易理解。

從上世紀50年代開始,費曼開始探索許多其他理論物理學的領域,其中包括超流體、超導、引力、質子和中子的成分(他稱之為部分子,parton)。後來兩篇引起巨大影響的論文是他的弱相互作用模型——《費米相互作用理論》,以及他對量子計算的提議——《用計算機模擬物理學》。在每項研究中,他都進行了各種變化和調試,直到得出明確的結論。1984年,他在一次演講中對納米技術的發展也做出了具有前瞻性的預言。

物理學史上最偉大的魔術師

△ 費曼在1962年做的筆記。| 圖片來源:Caltech Archives

【調查挑戰者號】

他是一個如此複雜的綜合體,當你覺得他像個玩世不恭的壞小子時,卻會發現他是最有氣節、最正直、最誠實的科學家。1986年,費曼接受政府委派,要求擔任政府調查委員會調查載有7名宇航員的航天飛機挑戰者號災難性事件的起因。那時他已身患有兩種罕見的癌症,而且他生平最不愛與政府機構打交道。他曾給自己定過一個規則——絕對不“靠近”華盛頓地區。但他還是接受了這項任務。

當他前往調查時,感受到了官僚和政治帶來的阻力,也察覺出問題的所在。這讓他既沮喪又興奮。很快,他用實驗表明了在火箭助推器中的O形橡膠環在空氣溫度低於冰點時會失去伸縮性,使得熱氣從內部逸出,導致航天飛機的解體。而在挑戰者號發射的當天早上,氣溫是低於零下的。

此外,他還展示了其他委員所欠缺的道德勇氣,批評NASA的管理人員不接納工程師的警告,並指出了造成系統故障的設計問題。他在NASA的這件愚蠢的災難性慘劇結尾時說:“自然不能被愚弄。

如果說真有什麼權威機構是讓費曼信服的,那就是真相。而他對這一神聖不容侵犯的標準的虔誠,為他與科學贏得了世人的尊敬。

物理學史上最偉大的魔術師

△ 1986年6月,費曼與阿姆斯特朗在《挑戰者號航天飛機事故總統委員會的報告》的新聞發佈會上。

【教育家】

除了以上提到的,費曼還是一名出色的解說家和教育家。他認為,理解這個世界對於每一個人來說都是重要的,而不僅是對於科學家。

那些有幸聽過他的講座的學生無一不對他敏捷的思維感到讚歎。他在加州理工學院教授大學一年級的一個課程——“物理X”,在課堂上學生可以會問他任何問題。費曼喜歡沿用自己的學習習慣,他常常拒絕向學生直接提供解決方案,而是啟發學生讓他們自己思考。

費曼的課堂筆記被仔細記錄並作為書籍和文章出版,其中一個版本就是加州理工學院著名的三卷《費曼物理學講義》(1964)。另一本是1959年出版的《基本過程理論》,它是基於費曼於1958年去康奈爾大學擔任訪問講師時,兩名學生 Peter Carruthers 和 Michael Nauenberg 所做的筆記。另一部相關的作品叫《物理定律的本性》(1967),源自於六年後他在康奈爾大學所做的講座。

物理學史上最偉大的魔術師

△ 在一次授課結束後,費曼與一位助教談話。背景處的兩人是 Robert Leighton 和 Matthew Sands。圖片來源:California Institute of Technology.

費曼的偉大之處不僅僅體現在卓越的科學貢獻上,他自由的思想、獨特的人格魅力、不畏權威堅持質疑的精神、以及對科學簡潔生動的解說,感染著所有的人。

http://www.feynmanlectures.caltech.edu

https://www.nature.com/articles/d41586-018-05082-4?utm_source=twt_nnc&utm_medium=social&utm_campaign=naturenews&sf189254835=1

https://www.sciencenews.org/blog/context/celebration-curiosity-richard-feynman-birthday

https://www.weeklystandard.com/algis-valiunas/feynman-at-100

https://feynman100.caltech.edu

https://www.youtube.com/watch?v=LyqleIxXTpw&t=2709s

https://www.youtube.com/watch?v=JIJw3OLB9sI


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