致敬科學家|繼愛因斯坦之後最睿智的理論物理學家

看了生活大爆炸,你是不是就以為謝耳朵是科學界的異類了。看了愛因斯坦的吐舌照,你是不是就以為科學界的笑料不過如此。其實,你錯了。

在表演界,有一位這樣的諾貝爾物理獎得主:他參加原子彈計劃時,以開鎖取機密為樂子;喜歡在脫衣舞娘前,喝著小酒做物理;玩過樂隊打過鼓,開過個展畫人體。他絕對是人類史上的一朵奇葩,現實版的憨豆,加強版的謝耳朵。

他被認為是愛因斯坦之後最睿智的理論物理學家,他就是理查德·費曼。

致敬科學家|繼愛因斯坦之後最睿智的理論物理學家

1918年5月11日,費曼出生於美國紐約,父親是麥爾維爾·阿瑟·費曼,母親是露茜爾·菲利浦,他父母都是猶太人。他的父親是一名推銷員,他將自己對自然的極大好奇心遺傳給費曼。費曼小時候熟練於修理收音機、安裝打字機和解決各類思想謎題。“人類知道的毎一種謎題或許我都碰到過。”他後來寫道。費曼在數學和物理方面也很不平凡,他討厭學校要求在其他知識領域達標的壓力。他並不像其他許多物理學家那樣廣泛閱讀或者有很高修養。

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1935年,費曼進入麻省理工學院,他在數學上的超常才能變得顯而易見。他建立了相當數量的程序解決理論物理學中多種多樣的問題,他標題為《分子內的力與應力》("ForsandStressesinMolecules")的大學畢業論文就是個令人印象深刻的預兆。1939年從麻省理工學院畢業後,費曼克服了那時常見的制度上對猶太人的歧視,繼續到普林斯頓深造。他與約翰·惠勒一核子物理發展中的領軍人物一起工作,這個人很快認可了費曼的能力。1942年他以一篇關於《量子力學裡最小作用原理》(“ThePrincipleofLeastAc-tioninQuantumMechanics”")的論文獲得博士學位。二十幾歲的時候,費曼已經被認為是美國重要的理論物理學家之一。

還在普林斯頓的時候,費曼就被吸收到研製原子彈的工作中並且加入了曼哈頓計劃。在1943年,他遷到美國新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯,那裡正在建造原子彈。在洛斯阿拉莫斯費曼的表現令人難忘,對於中子穿過臨界物質發生的銜射,他拿出了多種針對複雜計算的獨特技術。他被指派去估計一個地方存儲多少放射性原料沒有危險,以及做關於發展中的原子彈的理論方面的演講。1945年7月他參加了第一個原子能裝置的試驗。巨大的爆炸令他產生了“幾分興高采烈,因為整個這段時間我們都在很努力地工作,以使這件事情正常運行。而且我們不能十分確定它將怎樣。我對理論計算總是有幾分不信任,儘管那是我的職業。並且從沒有真正確信自然會像你安排的那樣去做。這次她按我們的計劃做了。

1945年開始,費曼到了康奈爾大學,作為助理教授與貝蒂在一起他將興趣轉到子電動力學上,對QED做出的修正是戰後物理學裡的關鍵事件之一。儘管現有的理論沒有錯,如費曼一次解釋的,“當你去計算結果時,你將陷入複雜的方程式,那非常難以解決。你能得到一個很好的最初水準的近似值,但當你設法用修正去精煉它時,這些無窮的量開始突然出現。”例如,儘管很清楚,電子在由磁場用裡以可預測的方式運動,在量子力學術語裡對它的解釋包括光子發射和吸收的一個無窮數量一被稱作“虛擬”粒子,因為它們不 能被感官感知。儘管像沃爾夫岡·泡利和沃納·海森堡這些人,做了無數的努力來精煉計算,但它們繼續給出難以忍受的結果,即使它們所依據的理論一直保持無可置疑。

致敬科學家|繼愛因斯坦之後最睿智的理論物理學家

費曼的獨特方法使用了一系列代表物(後來被稱為費曼圖表),這可以將電子和光子以及電子吸收或發射光子追蹤下來,這些是量子電動力學描述的基本活動。圖表將抽象計算具體化了,因此數量可以被“規格化”,而且不必要的無限可以被除去。這一路徑積分方法的使用結果使量子電動力學獲得完全的新生,使今天的計算能達到10°的非凡精確度。1965年費曼被授予諾貝年物理獎,他與朱利安·施溫格和朝永振一郎分享了這一獎項(他們也 在同一時間對QED做了重新表述),費曼的方法是最簡單和最直觀的。費曼圖表被廣泛的用來解決涉及基本粒子的問題。

1951年費曼遷到加州理工學院,在那裡他成為世界上最多產的理論物理學家之一。在他的成就裡有一項對液態態怪性質的微粒子描述,它在極低的溫度下不受重力影響。在解釋“潮流體”中,費曼接近了對一種相關現象——“超導電性”的理解。這一現象在1957 年由約翰·巴丁、利昂·庫珀和羅伯特·施裡弗進行了闡述。費曼還深化了β 衰 變—“弱作用力”的行為,以放射性元素的逐漸瓦解為例子——理論。

費曼發現的對稱守恆定律突破了相互作用——從20世紀50年代期間的實驗中得到的線索,將他引向一個被他形容為“第一次,也是我的生涯裡僅有的一次,我知道了一種別人都不知道的自然定律”的時刻。費曼的朋友、加州理工學院的同事莫利·蓋爾曼被這想法惹怒了,但他繼續與費曼合作建立了一種弱相互作用的理論,最初於1958年發表,標 題為《費米相互作用理論》(heoryoftheFermiInteraction)。費曼也對蓋爾曼的量子色動力學理論(QCD)的發展做出了貢獻,這一理論提供了對亞原子微粒內部結構的描述。

費曼是一位有趣的教師,他有時在講課的同時還敲著桑巴鼓。他的風格生動、幽默,卻很少失去對物理學廣闊主題的洞察力。1963年他在加州理工學院教授一門物理學入門課程, 後來以《費曼講物理》(TheFeynmanLecturesonPhysics)出版。儘管目的是作為大學水平的課本,它們是如此新穎以至於成為基礎物理學的標準作品。針對普通讀者的前後 相繼的六個演講在1965年首次出版,標題是《物理定律的特性》(TheCharacterofPhysicalLaw),它呈現出費曼演講的風格,是對萬有引力、科學與數學之間的關係以及能量守恆問題、熵的概念的一個基本介紹。20世紀80年代的時候,費曼還在加利福尼亞大蘇爾的埃塞倫研究所為那些懶散但自我實踐的聽眾作演講。通過一本自傳體回憶錄《別鬧了,費曼先生》,他被更廣泛的公眾所知曉。這本書成為1985年的暢銷書。

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1986年費曼加入羅傑斯委員會,這是一個受命調查美國“挑戰者”號航天飛機在發射過程中發生爆炸的政府專門小組,這次事故中有七位字航員喪生。當費曼識別出導致堅的主要原因是橡皮墊圈(它們在寒冷的氣候裡變僵)時,他製造了全國的頭條新聞。在聽證會上一個激動人心的時刻,他將一塊那種材料投入一杯冰水裡,演示了在寒冷的溫度下它是怎樣即刻失去彈性的。在總結報告的一篇單獨附錄裡,費曼對負責處理“挑戰者”災難的國家航空和宇宙航行局(NASA)的科學家和工程師們受到的官僚政治影響,表示了強烈的不滿。費曼關於他在羅傑斯委員會里的工作說明在他1988年出版的《你幹嘛在別人怎麼想》(WhatDoYouCareWhatOtherPeopleThink?)一書裡進行了詳述。

像許多20世紀的物理學家一樣,費曼是無神論者,就像他父親曾經做的。當一位猶太學者堅持在他父親的葬禮上誦讀祈禱文時,他很煩惱。之後,他關於宗教的一些評論受加利福尼亞一家電臺的審查。“在我看來這個空想的非凡宇宙,”費曼說道,“這個時間和間以及不同種類的動物,還有所有這些不同的行星、原子伴隨著它們所有的運動等等的巨大範圍,所有這些複雜的東西不可能僅僅是個舞臺,以便上帝能夠監視人類為了善和惡做的奮鬥——這是宗教所持有的觀點。舞臺對於那場戲劇來說太大了。”

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1978年費曼首次被診斷出一種罕見的癌症腫瘤,通過手術將其切除了。1986年出現了另一種癌症一大球蛋白血癥,它侵襲淋巴細胞,之後不久醫生們還發現了一種肺部腫瘤。費曼不願考慮他的腫瘤與研製原子彈時以任何方式暴露在輻射中有關這種可能性。理查德·費曼於1988年2月15日去世。


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