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魔術師式的天才理查德·費曼:“那是上帝,原子在那裡”

費曼 來源:it.wikipedia.org

導讀

數學家卡茨說,世界上有兩種天才,普通的天才沒什麽神秘,而魔術師式的天才不一樣,他們大腦的工作方式無法讓人理解,理查德·費曼就是最高層次的魔術師。費曼的教學致力於將自己魔術師式的思考方法轉化成能夠讓人理解的形式,每一堂課都充滿了表演的儀式感,展示了物理學家思考自然的方式。費曼對大自然懷有虔誠的崇拜和激情,他所感興趣的很多領域在當今時代正在蓬勃發展。

撰文 | 施鬱(複旦大學物理學系教授)

責編 | 張歡

1. V-A理論

1956年,李政道和楊振寧提出,弱相互作用中宇稱是否守恆其實沒有實驗證實過。1957年初吳健雄等人的實驗確認宇稱不守恆。然後的熱門問題是,弱相互作用的定律是什麽。1957年4月,羅切斯特會議期間,李政道給了費曼一份李和楊的論文。費曼住在附近的妹妹瓊(Joan)家,他說看不懂李-楊的文章,他妹妹說:“不,你的意思是,不是你不懂,而是你沒有發明這個。如果你像個學生坐下來將文章一行行讀下來,就懂了。”果然,費曼看懂了李-楊的文章,而且意識到李-楊所寫的一個數學因子應該也存在於弱相互作用下的其他波函數。會後費曼去巴西訪問,回國途徑紐約時去了吳健雄實驗室了解些情況,然後回到加州理工,向做這方面實驗的同事玻姆(Felix B?hm)等人了解情況,費曼相信他們的結果。玻姆告訴費曼,同事蓋爾曼(Murray Gell-Mann)認為弱相互作用可能是V-A形式(矢量算符減去軸矢量算符)。這與費曼的想法自洽,費曼立即明白了所有問題。最後,在巴徹的乾預下,費曼和蓋爾曼合寫了一篇論文。

9月16日,費曼-蓋爾曼論文被《物理評論》收稿。同一天,羅切斯特大學的研究生蘇達山(E. C. George Sudashan)和導師馬沙克(Robert Marshak)給同行發出關於V-A理論的論文預印本,一周後在意大利一個會議上報告了這個工作,最終發表在會議文集中。馬沙克是羅切斯特會議的發起者,他們早在4月份羅切斯特會議召開時已經基本得到V-A結論,但在會議上沒有介紹這個理論,因為還與幾個實驗結果有矛盾(特別是1952年吳健雄的學生的一個著名實驗),而蘇達山作為研究生沒有資格作報告。

7月份,蘇達山和馬沙克與蓋爾曼和玻姆等人交流過意見。蓋爾曼後來寫道:“我得到結論,普適費米相互作用可能還是對的,是V-A的形式,只要忽略幾個實驗結果……同時,跟隨馬沙克工作的蘇達山也有類似的建議,但是他更加肯定。”後來費曼曾在某個會議總結中說:“我們有個傳統的弱相互作用理論,由馬沙克和蘇達山發明,費曼和蓋爾曼發表,卡比波(Nicola Cabibbo)完成,被描述為V-A理論。”遺憾的是,同行常常忽略蘇達山和馬沙克。

1985年,費曼與馬沙克在日本參加紀念湯川秀樹介子假說50周年會議。馬沙克告訴費曼,蘇達山一直因為貢獻沒有被充分認可而不愉快。費曼給馬沙克寫了封信:“我希望我們能搞清楚,給蘇達山的優先發現以足夠的功勞。默裡和我的文章確實完全是一篇合作論文,來自我們很多交流,不可能分出誰做了什麽。對於合作論文的作者,人們不應該試圖分開功勞……這些事情讓我煩惱——我希望我沒有給你和蘇達山帶來不舒服。我將用任何機會將事情說清楚——但是我嚴肅的時候,別人不相信我……”。

費曼很看重V-A理論,說過:“這是我第一次發現一個新的定律,而不是對別人理論的更有效的計算方法(比如我關於薛定諤方程的路徑積分方法和量子電動力學的圖方法)或者得出一個具體問題的解(比如極化子或者液氦的超流)。這個發現是全新的,雖然我後來得知別人大約同時或者稍早也想到過,但是那也沒什麽不同。當我做這個的時候,我感到新發現的激動!這沒有麥克斯韋方程那麽奇妙,但是也很好,我在此工作上簽名很有滿足感。我想,我的人生完整了!”

蓋爾曼對此不以為然:“理查德總說他原先沒有發現過自然定律,只是用別人的定律計算,這大半是對的。我不知道為什麽他感覺這麽不好。正如我在我文章裡指出的,他關於量子力學的新觀點可能就是一個重要的定律;可能比量子力學通常的形式更重要。但是不管怎麽說,他著迷於他必須發現定律。將V-A這件事說得那麽原創似乎不合理,因為之前玻姆已經告訴他我們幾個人已經有這個想法。”

筆者覺得路徑積分更像是一個原理,而非一個具體的定律,所以可以理解費曼的觀點。費曼去世前不久說過: “最讓我激動的是非相對論量子力學的時空(路徑積分)形式”。所以他只是沒有將路徑積分看作自然定律。在V-A理論上,雖然他的獨創性不夠,但是他體驗了發現自然界基本定律的過程。他明確說了“雖然我後來當然也得知別人大約同時或者稍早也想到過,但是那也沒什麽不同。當我做這個的時候,我感到新發現的激動!”所以他對V-A理論的看重,是出於一種研究者的心態,他享受發現過程中的激動,這反映了他對自然定律的崇拜。

2.其他研究或倡導(超流、極化子、超導、量子引力、引力波、規範理論、量子耗散系統、生物學、微小尺度、部分子、量子模擬與量子計算)

1953-1958年,費曼研究液氦超流,從量子力學基本原理出發,借助於路徑積分指出,玻色統計導致類似玻色氣體的相變,低能激發只有聲子,而高能激發就是朗道所說的旋子,並與學生科恩(Michael Cohen)提出旋子波函數,他還獨立於昂薩格(Lars Onsager)提出超流渦旋的量子化,並仔細研究了各種性質。

1954-1955年,費曼用路徑積分研究固體物理中的極化子,幾年後又與合作者海爾沃思(Robert Hellworth)及學生伊丁斯(Carl Iddings)和普拉茨曼(Philip Platzman)繼續研究這個問題。

費曼是被弗勒利希(Herbert Fr?hlich)的一篇綜述論文吸引到這個領域的,其中弗勒利希提到中間耦合強度的極化子問題有待解決,並說這個問題與超導有關。事實上,正是弗勒利希正確提出電子-聲子相互作用對於超導的重要性。費曼也花了很多時間研究超導,但是沒有成功。所以當BCS超導理論發表時,費曼一開始不忍去讀。BCS的超導波函數確實與李政道、婁(Francis Low)、派因斯(David Pines)的極化子波函數有類似之處 [1]。費曼曾嘗試過湍流問題,也沒有成功。

費曼研究超導主要基於電聲子作用的微擾論和費曼圖 [2],失敗是可以理解的,因為超導需要一個新的基態波函數。筆者感到可惜的是,BCS的成功是基於用BCS波函數作為變分波函數,而量子力學的變分法本來也是費曼喜歡的方法,他的超流研究就是基於變分波函數!

1950年代,費曼還用路徑積分研究了引力的量子化。他首先建立了引力子的量子場論,並作微擾論研究。費曼證明,因為引力子無品質,規範條件導致非線性相互作用,而且經典極限服從愛因斯坦方程。為了能夠保持理論的么正性,費曼引入假設的粒子。在蓋爾曼的建議下,他也同時將類似方法用到楊-米爾斯規範理論 [3],對規範場論的發展作出了貢獻。他1957年參加了關於引力的教堂山(Chapel Hill)會議,討論了引力量子化,並對引力波的物理真實性討論作出貢獻 [4]。1962年,在華沙的廣義相對論與引力會議上,費曼介紹了他的量子引力理論。費曼認為,最後有沒有所有相互作用的統一理論是大自然的事,他只想多了解自然。

1957年費曼與休斯飛機公司的海爾沃思和弗農(Frank Vernon)用一個簡單直觀的方法研究了微波激射問題。在海爾沃思安排下,費曼每周三來休斯公司講課,一直持續到費曼去世前幾年。弗農成了費曼的研究生,費曼和他用路徑積分研究量子耗散系統(與環境耦合),發表於1963年。如果費曼沒有去世那麽早,會欣喜地發現,他這個工作的影響後來越來越大,因為量子退相乾和開放量子系統越來越重要,而且與他二十年後感興趣的量子計算密切相關。

1950年代,費曼經常參加從理論物理轉到生物學的德爾布呂克(Max Delbrück)的研究組的學術活動。後來他要做點生物學研究,德爾布呂克安排他跟一位博士後做噬菌體的工作,費曼像一位研究生一樣開展工作。費曼發現基因突變有類似加和減兩種,他發表的論文曾為分子生物學創始人克裡克(Francis Crick)的工作所用。在生物學實驗室,因為給學生講解清晰,費曼被當作優秀的助教。費曼的生物學研究沒有持續下去,因為要回到物理學。在後來的大學物理基礎課程以及據以整理的《費恩曼物理學講義(Feynman Lectures on Physics;下文簡寫為FLP)》中,有一點生物學的例子。

1959年底在加州理工學院召開的美國物理學會年會上,費曼發表了著名的演講“在底部還有大量太空(There’s plenty of room at the bottom)”,討論了在非常小的尺度上操縱和控制物體。費曼的這方面思考正是受到微觀生物學的啟發。費曼提到生物學需要將當時電子顯微鏡分辨率提高一百倍,直接操縱原子來合成分子,這將大大縮小電腦和存儲太空的尺寸,能夠有更快的速度和更好的功能(比如電腦人臉識別)。費曼還提到微小尺度的材料性質,以及進入身體的微小醫療機器等等。費曼的很多預見在納米、資訊和生命等科技領域已經成為現實。2018年獲得諾貝爾物理學獎的光鑷技術就與之關係密切【見《雷射成就夢想》,超鏈接: https://mp.weixin.qq.com/s/HVZUevFbkmHReLfZn5Nn3Q】。

1960年代初,費曼主要致力於大學物理的基礎教學。1965年獲得諾貝爾獎後,他重新關注高能物理。1968年,費曼開始對強子(比如質子)的碰撞感興趣,他將強子看成由某種點粒子構成,稱作“部分子”,強子高能碰撞時,部分子近乎自由。當時斯坦福直線加速器研究電子與質子的非彈性碰撞,布喬肯(James Bjoken)將現象總結為所謂布喬肯標度假設。費曼將它解釋為部分子的動量分布。後來人們將部分子等同於誇克和膠子。1970年代,費曼與菲爾德(Rick Field)用量子色動力學研究高能碰撞中的誇克噴注(理論上,因為粒子碰撞產生誇克,誇克形成的強子沿著原來誇克的方向)。量子色動力學用得很好,費曼從此確信了誇克。

從學生時代到洛斯阿拉莫斯,費曼一直對計算感興趣。在加州理工,他教過幾次電腦課程。所以他對計算的物理極限發生了興趣,發現沒有最小能量限制 [他當時不知道本內特(Charles H. Bennett)早幾年已得到這個結論] 。他也鼓勵了弗雷德金(Edward Fredkin)可逆計算的工作。 1981年,弗雷德金組織了一次“物理與計算”會議,費曼應邀作了“用電腦模擬物理”的報告,指出經典電腦不能準確模擬量子力學過程。現在這被看成量子模擬的思想開端。1984年,在另一次會議上,費曼應邀作了“量子力學電腦”,討論了一個量子計算的模型。費曼的模型基於不含時的哈密頓量和局域的相互作用,優於先前貝尼奧夫(P. Benioff)基於含時哈密頓量和非局域相互作用的模型。所以費曼是量子計算的先驅之一。

費曼一生總共發表了九十幾篇研究論文。他對科學的熱情使他對若乾領域都作出了貢獻

3.教學與科普

費曼在教學和科普上也樹立了豐碑。他的演講和講課已經成了影響深遠的經典。有人曾將費曼的演講與中餐作比較:用餐時津津有味,盡情享受了美味,感覺飽了,但是很快又覺得餓了。

1961-1963年,作為加州理工物理教學改革的舉措,費曼致力於全時講授大學生基礎物理課。1964年他又補了7次量子力學課。上這門課期間,費曼每天花8-16小時備課,考慮怎麽將各方面內容匹配起來,怎麽在每次課中完成教學計劃。他一般隻帶一張寫著要點的紙來到教室。費曼還考慮每次課的戲劇性,有序幕、展開、高潮和結局,每次課有其獨立完整性。他甚至連黑板板書都事先設計好,從左上角開始,右下角結束,時間也正好,成為一個戲劇性作品。可以說,他的每次課都是一次完美的演出。每周兩次一小時的課,課後費曼與參加課程工作的幾位教授討論編習題。萊頓(Robert Leighton)、桑茲(Mathew Sands)和諾伊格鮑爾(Gerry Neugebauer)等教授根據錄音整理出講義發給學生。1963年春他們決定整理成FLP [5]。

費恩曼物理學講義(Feynman Lectures on Physics)

來源:commons.wikimedia.org

費曼課中經常用基本知識巧妙解釋高等問題,體現了物理學家解決問題的方法,他也非常以此為豪。筆者認為,這是這門課及FLP吸引包括職業物理學家在內的各類讀者的重要原因。

費曼的很多巧妙講解與自己的學習經歷有關。FLP出版後,韋爾頓從中看出很多他們當年學習的影子,而相對論的講法源於費曼給艾琳的解釋。

費曼本來區分了哪些是基本要點,哪些是高等內容,並將要點總結在黑板上,希望學生首先掌握基本要點。但是助教樂於講高等內容,而且學生上課前不知道內容是什麽,講義在每次課以後才能整理出來給學生。這些基本要點後來沒有整理在FLP中。這可能不利於普通初學者抓住基本要點,對於準備考試尤其不利。流行的說法是,FLP適用於具備相關基礎的人作進一步的提高。

流行說法還認為,費曼這門課對於普通學生效果不好。這一方面與費曼在FLP中有點悲觀的序言有關。費曼在序言中寫道:“我的觀點——雖然似乎大多數參加這次教學的教授不同意——是悲觀的,我不認為我對學生做得很好。”另一方面,1989年,加州理工的古德斯坦(David Goodstein)說,費曼可能是這個時代最偉大的教師,FLP的偉大成功在於展示如何思考物理,但是作為大學生入門課和入門教材,費曼的課和講義並不成功。古德斯坦認為費曼的講解更適合於物理學家和物理教師。他還引述諾伊格鮑爾的回憶,說“費曼上這課時,很多學生害怕”,還說“隨著課程的展開,學生上課人數驚人地下降,同時越來越多的教師和研究生開始參加,所以教室總是滿的,費曼可能從來不知道他實際上失去了本來的目標聽眾。” [6] 古德斯坦和諾伊格鮑爾後來在FLP紀念版前言中又重複了這個說法。

但是2004年,桑茲評論說 [5],他不同意費曼序言的悲觀看法。這門課結束時,費曼要去巴西,向桑茲告別,得知學生平均考試成績65分,感覺失敗,雖然桑茲告訴他分數有一定任意性。在悲觀的心情下,費曼匆忙中口授了那個序言。對於古德斯坦和諾伊格鮑爾的說法,桑茲則說,古德斯坦當時還沒來加州理工,而諾伊格鮑爾可能被自己當初的玩笑誤導。事實上,大多數課上,桑茲都坐在教室後面,他記得大多數學生都來上課,而且都很興奮。桑茲舉了三個例子表明學生非常正面的反饋。一是他清楚地記得,當初第二年的課開始時,學生能夠清楚地複述半年前的內容;二是幾年前一位當時的學生專門寫信給他表示不同意費曼序言裡的悲觀說法;三是1996年諾獎得主奧謝羅夫(Douglas Osheroff)的回憶:他的物理直覺大多數來自費曼的這個課。

2005年,索恩(Kip Thorne)隨機調查了17位當年的學生,80%的反饋非常正面,而負面的反饋是不會做作業和事先不知道上課內容 [7]。索恩指出,費曼和其他教授做過解題輔導,而後一個問題隨著FLP的出版已不存在。筆者覺得,既然有過解題輔導,如果有學生覺得有問題,大概因為不能抓住基本要點。

加州理工1965級校友楊綱凱教授告訴筆者,FLP在加州理工作為教材使用了十幾年,後來曾經與常規教材同時使用,或者用作提高班(advanced group)的教材,或者是很受歡迎的參考書。一位1982級工程專業校友說他用FLP作教材,覺得很精彩。楊教授認為,學生即使沒有將所有內容都掌握到能做習題的程度,仍然能受到很大啟迪,感覺不錯,何況美國學生不那麽在乎考試成績(第一年隻記錄是否及格)。

費曼課程結束時,沃克(Robert Walker)對費曼說過:“你這兩年為物理學做的事情比你將這段時間用來做任何研究要重要得多。”費曼當時覺得這是瘋話,但是多年以後他同意了,因為FLP讓他自己感覺很好,這套書也被全世界的人一直使用。事實上,50年來,這套書的影響至今不衰。第三卷是量子力學,費曼採用了與傳統方式不同的順序。筆者教量子力學時,也用了這個順序,並用這本書作為主要參考書之一,所以有些通常在研究生量子力學課裡學的內容,我的學生在本科量子力學的第一次課就學了。

費曼對古德斯坦說過,長遠來看,他對物理學最大的貢獻不是量子電動力學、超流理論、極化子或者部分子,他的真正豐碑是FLP [6]。這個說法可能與說話時的語境有關,費曼去世前不久跟梅赫拉(Jagdish Mehra)只是說,不能否定FLP確實是對物理世界的一項貢獻。正如古德斯坦所說,我們都能同意FLP至少是他對物理教育的最大貢獻。

總之,長期以來有種看法,認為費曼課程和FLP隻適合於已經掌握相關基礎知識的人和物理學家、物理學教授,但是筆者認為這個看法有失偏頗。當年的學生就認為費曼課程和FLP都很精彩。正如古德斯坦說過,在幫助學生準備考試上,費曼課程可能確實不太成功 [6]。但是教學效果本來就是多方面的,不等同於做題目和考試。某些地方有很多物理學生很會做題目,但其中還沒有獲得諾貝爾獎的。

其實,費曼這門課的意義,他在FLP裡本來就說得很清楚:“我教學的主要目的不是為你們準備某個考試——甚至也不是讓你們為工業或國防服務做準備。我最想教給你們對於這個精彩世界的欣賞和物理學家看待它的方式,我相信這是現代文化的一個主要部分。(可能有其他領域的教授不同意,但是我相信他們徹底錯了。)也許你對這個文化不僅有一些欣賞;甚至可能想加入這個人類思想最偉大的探險。”

費曼在加州理工的35年中,講過34次課,其中25次研究生課程 [5]。費曼的著作來自對他的講課和演講的整理。除了FLP,專業講義還有《統計力學(Statistical Mechanics)》、《基本過程的理論(Theory of Fundamental Processes)》、《量子電動力學(Quantum Electrodynamics)》、《量子力學和路徑積分(Quantum Mechanics and Path Integral)》,以及在他去世之後整理出的《費曼計算講義(Feynman Lectures on Computation)》和《費曼引力講義(Feynman Lectures on Gravitation)》。費曼是一位偉大的物理老師,也是物理老師的老師!

費曼作過很多通俗演講,比如1955年的《科學的價值(The value of science)》、1956年的《科學與宗教的關係(The relation of science to religion)》、1957年的《今日世界中科學的角色(The role of science in the world today)》、1963年的《它所有的意義(The Meaning of It All)》、1964年的《現代社會中科學文化的角色(The role of scientific culture inmodern society)》、1964年的《物理定律的特徵(The character of physical law)》、1983年的《量子電動力學:光與物質的奇怪理論(QED: The strange theory of light and matter)》,等等。

1964-1965年,費曼是加州中小學課程審定委員會成員。他提出不要用太純數學的語言,清楚比精確更重要,避免不必要的純數學概念。不要僅僅介紹專業名詞。如果介紹名詞時不教使用這個詞的思想或者事實,反而會給人掌握知識的錯覺,所以引進概念時,要解釋目的或理由。比如某個教材上給出玩具、汽車、小孩騎自行車的圖片,然後問它們是怎麽運動的,結果隻說一句“能量導致的”,而沒有介紹具體的過程。費曼認為這是荒唐的。這當然也反映了他自幼在父親引導下形成的觀念。

1983年,費曼應邀參與調查挑戰者號太空梭失事原因。在實況轉播的調查會上,在幾百萬電視觀眾的注視下,費曼將一個橡皮圈放進冰水,演示它失去彈性,說明太空梭失事原因就是,發射的時候,氣溫很低,一個密封圈失去彈性,所以不能填滿發射時增大的空隙 [8]。這將費曼的公眾知名度推向高峰,也算是費曼科普的極致之作。

4. 諾貝爾獎與榮譽

1965年,費曼、施溫格和朝永振一郎因為“對量子電動力學的基本貢獻,對基本粒子物理產生深刻的影響”而分享諾貝爾物理學獎。諾獎公布後的清晨,記者打來電話時,費曼問:“有沒有辦法不接受諾貝爾獎?”記者說:“不管你怎麽做,都會引起麻煩,不如隨它去。”諾獎晚宴上的10分鐘致謝演講讓他很為難,因為他並不想得諾貝爾獎。最後費曼想出個既令人滿意又不失誠實的說法。他說,他作出的發現以及其他人對這一發現的使用令他愉快,這已經是對他的獎勵,但是諾貝爾獎宣布後,他收到很多信提醒他和寄信人的關係,比如童年的朋友聽到消息後興奮地說:“我認識他,那是我一起玩的小孩!”諸如此類的來信表達了一種愛,因為這個原因,他感謝諾貝爾獎。

1967年,普林斯頓大學校長寫信給費曼,說要授予他名譽博士學位。費曼拒絕,因為他自己當初接受真正的博士學位時,看到有人不用做論文而接收名譽學位,就發誓如果自己未來有機會被授予名譽學位,一定要拒絕。後來對於每個名譽學位,費曼都拒絕。事實上他寧願不要真正的博士學位,他很羨慕戴森沒有博士學位。對於訪問邀請,除了巴西和日本這些他真正感興趣去的地方,他都以上課為理由一概謝絕。費曼說過:“榮譽不是真正的東西。獎勵來自作出發現所帶來的喜悅。”

費曼獲諾獎後,魏斯科普夫與他打賭10美元,說10年之內費曼將當官(hold a responsible position)。事實上,費曼一輩子都沒有當官。對於學校物理學科的行政會,費曼除了早期參加過一兩次,從不參加。他也從不申請任何經費。費曼說過,他從馮·諾伊曼那裡學到所謂的對社會的“活躍的不負責任”。費曼痛恨官僚主義的繁文縟節。

5. 獻身物理,特立獨行

筆者將費曼、施溫格、大衛?玻姆等人算成二戰後美國本土第一代物理學家,他們的導師惠勒、拉比、奧本海默等人曾留學歐洲。費曼的風格深刻地影響了戰後的美國物理學。費曼本人心目中的英雄是卡諾(Sadi Carnot)、麥克斯韋(James Maxwell)和狄拉克。卡諾從蒸汽機效率問題得到自然界一個基本原理,麥克斯韋統一了電、磁和光。狄拉克提出電子的相對論量子力學方程,預言了反物質。

費曼的一生是為物理的一生,他說過:“物理是我唯一的癖好,也是我的工作和娛樂。可以從我筆電看出,我整天想著它。大多數想法沒有結果,但是有一些想法有結果,我就發表它們。”費曼喜歡用自己的方法解決問題。即使是對老問題,也喜歡用新方法。路徑積分就是他這種原創工作方式導致的結果。在他去世前,黑板上寫著:“如果我不能創造,就不能懂;了解怎麽解決已經解決的每一個問題。”還列了幾個想學習的問題 [8]。

費曼富有原創性,特立獨行,獨樹一幟,走自己的路。貝特說:

“費曼是二戰後最偉大的物理學家之一,而且我相信是最有原創性的。”

戴森說:

“他是他這一代中最具有原創性的。”

施溫格評價費曼:

“一個誠實的人,我們時代傑出的直覺者,而且給敢於敲擊與眾不同的鼓的人樹立了榜樣。”

卡茨(Mac Kac)說過:

“有兩種天才,平常的天才和魔術師。你和我也能像通常的天才那樣,他們大腦的工作方式沒有什麽神秘的,我們搞懂他所做的事後,我們也能做。魔術師不一樣。用數學語言說,他們與我們正交,他們大腦的工作方式無法讓人理解,無論目的是什麽。他們即使有學生,也很少,讓一位聰明的年輕人與魔術師的腦子的神秘工作方式打交道,太令人沮喪。理查德?費曼就是一位最高層次的魔術師。”

與通常的印象相反,費曼的研究生並不少,30名 [10]。不過讓他滿意的學生很少。

費曼曾諷刺物理學裡的潮流說,某人有了個好主意,其他人一哄而上,跟隨領頭人,希望這樣就能在前沿,他們沒有別的事可乾,不是通過獨立思考來做事。

費曼崇尚誠實,他說過:“我很早就知道了知道某件事的名字與知道某件事這兩者之間的區別。”他還說過:“第一個原則是你不能欺騙自己,而你自己就是最容易被欺騙的人。”他也說過:“我可以接受有疑惑、不確定和不知道。我認為不知道要比擁有可能錯誤的答案更有趣。”艾琳從醫院裡寫給他的話“你在乎別人說你的話做什麽”深深影響了費曼。古德斯坦曾經說,他很多次看到費曼梳理清楚他沒有從年輕人那裡搶走功勞。費曼有一次在與他討論時勾畫出一個理論,就在古德斯坦將它整理進一篇論文時,收到科斯特利茨(Michael Kosterlitz)和索利斯(David J. Thouless)的論文預印本,發現與費曼的理論一樣,古德斯坦告訴費曼。費曼只有一刹那的失望表情,很快明亮起來,說不同地方的人在不同問題裡提出相同的想法,說明這個想法肯定是對的 [6]。部分地因為這個工作,索利斯和科斯特利茨獲2016年諾貝爾物理學獎【見《學術豪門!師徒三輩連環獲諾獎背後》,超鏈接:https://mp.weixin.qq.com/s/TFATgL4w2VQGSTtWhXxnGQ】。

費曼將科學精神表現得淋漓盡致,他說過:“科學教給人們,事情是怎麽被了解的、什麽是未知或者了解的程度(沒有什麽是絕對了解的)、如何對待懷疑和不確定、證據的規則是什麽、如何思考問題從而可以作出判斷、如何將欺騙和表演從真實中區別開來。”

費曼對大自然懷有虔誠的崇拜和激情。他對V-A理論的看重就是一個反映。他對原子刻骨銘心。1959年,他在“在底部還有大量太空”演講中,提到可以用電子看原子,提到操控單個原子(這些後來都成為日常實踐);兩年後在大學物理基礎課(FLP)一開始,他就說,人類知識中資訊量最大的短句是:“物質由原子構成”;多年後他在貝爾實驗室看到原子的掃描隧道顯微鏡照片,非常激動,說:“那是原子!這是宗教,不要說話,隻管看啊!那是上帝!原子在那裡!”

費曼喜歡敲鼓,1957年的一次表演吸引了一位畫家,兩人成為朋友,費曼向他學習繪畫 [11]。費曼說,藝術給人愉悅,通過繪畫可以表達對於世界美產生的感情,對宇宙的敬畏之情,這種感受中有個普遍性的問題,就是,同樣的物理定律產生不同的東西,想到現象來自原子間的規律,讓人感到多麽精彩。據筆者看來,與其說費曼隻對科學感興趣,不如說他隻認可科學的方法,不認可某些學科的方法。

FLP以及費曼的其他精彩的教學和科普活動也是他富有原創性和獨樹一幟的風格的產物,而他對教學和科普的熱情來自他對物理的熱愛、對於用基本方法解釋物理的喜愛。他的教學和講解沒有浮華,直擊要害,致力於將自己魔術師式的思考方法轉化成能夠讓人理解的形式。他的熱情使他喜歡表演。戴森初見費曼時描繪:“一半是天才,一半是滑稽演員”,後來又改為“完全的天才,完全的滑稽演員”。費曼喜歡直言不諱,1952年他在巴西的一個演講中說:“拉丁美洲有人擁有與外國同樣的科學或工程方面的學位,但是似乎能力差得多。這是因為他們沒有真正被傳授過任何科學。”費曼的物理水準和直言不諱使得他有時在學術報告上給出比報告人更好的講解。

筆者認為,量子力學的路徑積分是費曼一生最重要的工作。這來自他的博士論文工作和富有原創性的研究風格,又使他解決了量子電動力學重正化以及其他一系列問題。量子力學的路徑積分表述適用於各種量子系統,從概念上加深了人們對量子力學的理解,也可以用於一些傳統方法不適用的領域,甚至很可能比傳統表述方式更為基本。路徑積分的數學方法也用於統計力學和隨機問題等等。

費曼感興趣的微觀生物學、納米器件、量子計算、量子模擬、量子退相乾等領域在當今時代蓬勃發展,很多研究者以費曼曾經對其領域發生興趣而自豪。

筆者認為,源於他幼時父親的引導,費曼的誠實和特立獨行的行為特點和科學風格、對自然定律的崇拜、對科學的熱情和玩的態度、喜歡表演和講解、重視實際內容而輕視名詞、蔑視權威和名譽、直言不諱,都反映了一種少年心態。

年輕的費曼。來源:commons.wikimedia.org

感謝楊綱凱教授的討論。

[1] 施鬱. 著名物理學家派因斯去世,他青年時期的成功與遺憾. 微信號“物理文化與施鬱世界線”,2018-5-6.

[2] Pines D. Richard Feynman and Condensed Matter Physics. Physics Today, 1989, 42(2):61-66.

[3] Daniel K. Traveling at the speed of thought: Einstein and the quest for gravitational waves, Ch4. Princeton:Princeton University Press, 2007.

[4] Gell-Mann M. Dick Feynman—The guy in the office down the hall. Physics Today, 1989, 42(2):50-54.

[5] Sands M. Memoir//Feynman R, Gottlieb M A,R Leighton, Feynman’s tips on Physics. Boston: Addison-Wesley,2006.

[6] Goodstein D L. Richard P. Feynman,Teacher. Physics Today, 1989, 42(2):70-75.

[7] Thorne K. Preface//Feynman RP, Leighton R B, Sands M. Feynman Lectures of Physics, New Millennium Edition.New York:Basic Books, 2010.

[8] https://v.qq.com/x/page/j0199ym2hkr.html

[9] Feynman’s office; the last blackboard.Physics Today, 1989, 42(2):88.

[10]van Kortryk T S. The doctoral students of Richard Feynman. https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.5.9100/full/

[11] Richard Feynman, Artist. Physics Today,1989,42(2):86-87.

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