站长注:这篇文章来源于网络,原文是繁体中文版本,我经过修改整理而成。它原来是《费曼的6堂Easy物理课》这本书的解说,但是由于内容上的详细和扼要,我更愿意把它当做物理学家费曼的解说,与大家分享。

伟哉!费曼

社会上普遍有种错误的想法,总以为科学是完全客观的,不但不会因人而异,更不会感情用事。对比之下,科学以外的各种人类活动,则多多少少会受到一般潮流动向、突发的时尚风潮,以及当事人的性格、偏好所左右。唯有科学,得受制于科学社群都同意的规则、步骤,与严密的测试、检验。科学仅着重于得到的结论,而不在乎谁是做研究、做实验的人。

以上说法显然是无稽之谈,科学既然靠人推动,就跟其他人类活动相同,都会受到大环境趋势及个人意念的影响。在科学领域,研究潮流的趋向受到主题素材选择的影响并不大,却相当取决于当时科学家对整个世界的看法。

每个时代的科学研究,都会各自开辟路径,走出自己的不同方向来。一般是由少数几个能力卓越的人士在前面领导开路,然后大批研究人员在后跟进,那些开拓者不但订定了此后的研究内容与程序,通常还会指明,什么是用来解决问题的最好方法。有些时候,少数科学家在获致相当身分地位后,往往跻身成为家喻户晓的人物。而其中三、五佼佼者,因为天才横溢,甚至被整个科学社群尊崇为偶像。

在过去几个世纪里,牛顿(Isaac Newton,1642-1727)一度就是这么一位科学偶像。牛顿在有生之年,以身作则,树立起绅士型科学家的典范。他为人热情虔诚,人际关系良好,遇事不慌不忙,一切讲究方法。他研究科学的方式,在其身后长达两百年期间,被人们模仿,并奉为圭臬。

一直要等到二十世纪的前五十年里,爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)崛起,才逐步取代了牛顿,成为科学家心目中的新偶像。爱因斯坦的诸般想法皆与众不同,他平素不修边幅,一派德式作风,外表看来一副漫不经心的模样,其实整个人的心思全集中在研究工作上,是一位不折不扣的抽象派思想家。爱因斯坦喜好追究问题背后的基本概念,也因此改变了近代物理学的走向。

打造新物理学的第一层楼

如今,费曼已经成为二十世纪末物理学界的新偶像,为美国获得如此崇高地位的第一人。1918那年,费曼出生于纽约州,在美国东海岸一带成长受教育。因为出生年份稍晚,没能够赶上那个发生在本世纪头三十年间,光辉灿烂的物理学黄金时代。在那个时代,物理学有两项革命性的发现,那就是相对论(theory of relativity)与量子力学(quantum mechanics)的同时兴起。除了世人为之观感完全一新外,这两样新发现也奠下了如今我们称之为“新物理学”这栋大厦的地基。

费曼的事业从一开始,就是在这栋新大楼地基上,协助建造出新物理学大厦的地上第一层。他所做的贡献几乎遍及这门新学问的各个细枝末节,并且深刻隽永的影响到当今物理学家对物质宇宙的看法。

费曼是一位出类拔萃的理论物理学家。他的两位前任偶像中,牛顿身兼实验跟理论大师,且在修为程度上,双方面无分轩輊。而爱因斯坦简直可说是完全藐视实验,他宁可把自己的一切信念都诉诸于纯净的思考。

费曼碍于所处的时势环境,不得不创建出一套理论性的说法来阐述大自然,但他却始终能够保持不跟那个只顾现实、里面布满糟渣陷阱的实验世界完全脱节。甚至在他辞世之前不久,年迈的费曼教授还在众目睽睽之下,手里拿着一个橡皮环,浸入冰水,来说明“挑战者号”太空梭何以发生了灾难。凡是目睹过那一幕的人,都被深深感动。费曼的确是一位擅长引人注目、并且十分务实的思想家。
在事业初期,费曼在研究次原子粒子理论上,尤其是在所谓的量子电动力学(quantum electro dynamics,简称QED)议题方面,闯出了极响亮的名声。事实上,整个量子理论正因为该议题才蓬勃发展起来。

早在1900年,德国物理学家普朗克(Max Planck,1858-1947)就提出报告说,前此被大家认为是“波”的光及其他电磁幅射,在与物质发生交互作用时,行为却很诡异的像极了一个个小包装的能量,亦即所谓“量子”(quanta)。由于跟光扯上了关系,这些量子后来又称作光子(photon)。在1930年代初期,研究这门崭新量子力学的学者曾经想办法拼凑出一套数学架构,来描述诸如电子之类的带电粒子如何释出跟吸收光子。虽然这项早期的QED表述系统多少跟实际现象有些相容之处,但它的理论显然有重大瑕疵。在许多情况下,用它来计算特定的物理问题所得到的答案,往往前后矛盾,甚至出现无穷解。

费曼图另辟蹊径

1940年代末期,当时仍甚为年轻的费曼,把他的注意力转移到这个问题上,开始想法子打造一个不矛盾的QED理论来。

为了健全QED的理论根基,新理论不但必须切合量子力学的原理,还不得与狭义相对论(special relativity)的原理冲突才行。然而量子力学和相对论这两套理论,各自拥有独特的数学机制,里面各自包含非常繁复的方程系统。理论上,只要把两个数学机制结合拢来,经过妥当搭配,自然能够产生出一套让人满意的QED理论素描来。不过如此说来似乎容易,要付诸实现可是困难重重,在在需要极高难度的数学技巧。这也正是与费曼同时期的物理学家一致努力的方向,也无怪大伙儿成绩都乏善可陈。

然而费曼本人呢,他却没跟着大伙儿一起起闹、兜圈子,他另辟蹊径,找到了一个截然不同的解决方法。费曼的方法到底有多么不同呢?事实上,他能够完全不动用数学,就把答案直截了当的写下来。

为了帮助演绎他这个凭藉直觉而来的不寻常成就,费曼发明了一套冠以其名的简单图解系统——费曼图(Feynman diagram),虽只是些符号,但在描述电子、光子及其他粒子之间交互作用时所发生的一切,具有无与伦比的启发性。如今费曼图已广为科学家采用,当作辅助计算的例行工具,但是当初在1950年代初期刚问世时,它可是出乎一般人意料之外,且被认为是与研究理论物理的传统方式大相径庭的做法。

虽然量子电动力学在物理学发展过程上,是件划时代的大事,但是为它建立一个不矛盾的理论这件事,对费曼来说,仅只是他一生事业的开端。并且藉此考验,费曼树立起个人独特的处事风格,此风格种下了宿因,使他尔后在物质科学的诸多项目上,一连串获致许多极重要的成果。所谓的费曼风格,可以诠释为一种对人类既有智慧抱着尊崇但不拘泥的态度。

治学态度洒脱不羈

物理学是一门讲究精确的科学,其中已累积下来的知识虽仍非完备,却不能被轻易搁在一边,不加理睬。

费曼年纪轻轻时,就已经把物理学上所有已被接受的原理,了然于胸。后来他做研究时所选题材,几乎全部属于传统问题。他不是那种天才人物,喜欢独自前往人们不注意的范畴内拼命努力,以期能撞见奥妙的新事物。他的特殊天分,是擅长找出与众不同的方式,来解决热门的主流问题。也就是说,他能够避开既有的老套框框,灵活运用直觉,建立他自己的法门。

相对之下,绝大部分的其他理论物理学家,笃信谨慎、仔细的数学计算;对他们来说,数学计算不只提供他们到未知领域的方向指引,也是帮助他们随时保持平衡,避免摔跤的拐杖。而费曼的治学态度则非常瀟洒不羈,让你觉得他能够一眼看透大自然,简单得有如翻书一样。然后根据他的了解,不须经过麻烦复杂的分析,就能直截了当的把结果描述出来。

确实,费曼这种做研究的态度,表现出他对拘泥于形式抱持正面的蔑视。不过我不确知在这背后,需要什么样程度的创造天分来配合,才能具体实现。

理论物理学是一种最难的脑力激荡,它是一些难以想像的抽象观念跟极其艰深复杂的数学的组合。对绝大多数物理学家来说,似乎唯有保持兢兢业业、遵守最严谨的心智纪律,才能冀望有所进境。然而费曼显然与众不同,他似乎能够优游于这些严肃课题之间,不用聚精会神,却一而再、再而三,获得新的成果,就如同从知识之树上,摘取现成果子一般容易。

一生爱开玩笑

费曼的作风跟他的性情有着极大的关联,他在工作上和私底下,都似乎同样把世界当作一场极其有趣的娱乐游戏,整个物质宇宙以及他周围的社会环境,都不断带给他迷人的疑问和挑战。

他一生喜爱开玩笑,完全不把官府当局、学术权威看得很重,就像他从来没把索然无味的数学形式主义放在眼里一样。他这辈子从未心甘情愿地容忍世间任何他认为愚蠢的事物,只要他发现有任何规范是多余,或是订得没啥道理,他就会断然我行我素,拒绝遵守该项规则。

在他自传式的杂记(《别闹了,费曼先生》、《你管别人怎么想》)里,有许多让人忍俊不禁的有趣故事。包括费曼在战时,以机智修理了负责原子弹机密的情治人员;开保险柜;以异想天开的果敢行为,解除异性对他的戒心。而相对之下,对他那座因为研究QED有成、得来匪易的诺贝尔奖,倒是抱着蛮不在乎、一副可有可无的态度。

除开他厌恶形式框框,费曼对怪异和不明白的事物也非常有兴趣。许多人都记得,在他辞世之前不久拍摄的一部纪录片里,有一段生动的描写,讲他着迷于一个位于中亚、早已湮灭的古国唐努乌梁海。他的嗜好还包括打森巴小鼓、绘画、光顾脱衣舞场,以及解译玛雅文等等。

他那独特的个性主要是自己培养出来的。虽然费曼不大愿意动笔写东西,但与人交谈则口若悬河,一发不可收拾。他极喜欢把心中意念和他过去闯荡的逸事,当作故事题材告诉别人。这些多年累积下来的轶闻,益发增加了他身上的神秘气氛,使得他生前就已经成为着名的传奇人物。

费曼温良的风度,则使自己备受学生的欢迎,尤以年轻学子为最,往往把他当作崇拜的对象。1988年,费曼因癌症去世,追悼他的加州理工学院学生,展示出一大幅布条,上面简简单单几个大字:“狄克,我们敬爱您!”(狄克是费曼的昵称。)

杰出的传道解惑者

随遇而安是费曼对人生的态度,也是他研究物理的特殊方法,也可说是造就出他这位杰出传道解惑者的最重要原因。费曼平日忙到根本难得有时间作正式演讲,甚至连指导博士班学生也抽不出固定时间来,然而一旦遇到合适机会,他总能够即席发表精湛的演说,且十足表现出他在研究工作上的特色,诸如闪亮的智慧、深远的洞察力,以及绝不人云亦云、拾人牙慧等等。

1960年代初,加州理工学院当局要费曼教一门物理入门课程,对象是刚进大学部的一、二年级学生。在他执行这项任务时,顺便给这门课程内容加上了一些精采的题外穿插,并赋予了自己那种独特风格:集不拘形式、妙趣横生、不落俗套等特质于一炉。

幸好他这番宝贵心血,没有随着学期结束而烟消云散。课堂上讲解的内容已经被集结成《费曼物理学讲义》,留诸后世。在风格与表达方式上,《费曼物理学讲义》都跟传统的教科书大异其趣,但反而因此洛阳纸贵,大大畅销,并且无远弗届,全世界至今有整整一个世代的学子,都曾经受到它的启发,被它激励。在发行了三十多个年头之后,这部书依然是光鲜亮丽,魅力丝毫不逊当年。

这本《费曼的6堂Easy物理课》,是直接从《费曼物理学讲义》精选出来的。原先重辑的目的,是要让一般读者从那部划时代名著内,不太复杂的头几章文字里,直接见识一下费曼的教育家风采。不料这本小书超出了我们的预期,它成为非科学家的物理学入门,也被用来当作介绍费曼这位伟人的初阶读物。

费曼仔细编写的这几堂课文中,最让人印象深刻的是他利用最浅显的基本概念、极少的数学演算、极少的专业术语,而能引发出广博深远的各种物理见解。他知道如何找出恰到好处的类比,或是引用非常普通的日常实例,让原理的深奥重点自然浮现出来,并且不会横生枝节、不至画蛇添足。

本书在题材选择上,旨意不在使它成为近代物理学的概述,而是提供一个体验费曼物理观的引子。我们等一会就会发现,他把一些新的见解注入后,譬如力与运动这类既通俗又沉闷的题目,顿时变得鲜活起来。他用日常生活上、或历史上着名的例子,来说明重要的概念。他处处强调物理学跟其他科学之间有着不可分割的关联,但也让读者确实体认到,物理学是其他科学的基础。

物理之美在于定律

《费曼的6堂Easy物理课》内容一开始,告诉我们物理学植根于对定律的信念。也就是人们相信宇宙间的一切,都是有规律的,而这些规律都可以经过合理的推论,为人们勘破发现。

但是所有物理定律都不是透明彰显的,当我们直接观察大自然时,鲜能一目了然。它们总是深藏不露,似乎是以微妙的密码形式孕含在我们能见到的自然现象中,叫人想尽办法、历经挫折后,仍难以捉摸。而物理学家对此,有个神秘的解密步骤,就是用小心翼翼设计出来的实验,结合数学上的推演,来破解隐藏着的定律真相。

物理学中最着名的一个定律,大概是牛顿关于重力的平方反比律。本书第5堂课就在讨论这个题目,内容从太阳系跟开普勒(Johannes Kepler,1571-1630)的行星运动定律说起。

但是重力是宇宙间的普遍现象,无远弗届。这点让费曼逮到机会运用天文学跟宇宙学上的例子,使得他的阐述生色不少。在他放映一张球状星团的照片,来指出其中所含的众多光点显然被看不见的力束缚在一起的时候,他变得很情绪化的说道:“任何人如果从这张照片里看不见是重力在起作用的话,此人一定是中了邪而魂不守舍。”

其他已知的定律,是关乎自然界中形形色色的非重力的力,用来解释物质粒子之间如何交互作用,这些不同的力为数并不多。而在这方面,费曼本人有个与众不同的地方,是他身为历史上仅有的少数几位发现物理新定律的科学家之一。他的发现,跟一种影响某些次原子粒子行为的弱核力有关。

谈对称,说守恒

高能粒子物理在第二次世界大战后,成为科学王冠上最耀眼的明珠。当时各国纷纷建造出一个个庞大的加速器,而且紧接着的一段时间内,似乎没完没了的,有许多次原子粒子陆续被人发现。整体上,高能物理给人的印象不只是明珠般耀眼,简直可说是吓人。

那时期费曼的研究工作,主要是解释纷至沓来的实验结果。那时候粒子物理学家普遍有个共同看法,那就是应该以对称律与守恒律为出发点,把形形色色的诸多次原子粒子群,异中求同,整理出一些头绪来。

事实上,粒子物理学家此时所注意到的许多对称性问题,在古典物理学早已不是陌生的议题。那些对称性的议题主要源自空间与时间的均匀性。就拿时间来说吧,除了宇宙学中有个大爆炸(big bang)算得上是代表时间的起始外,物理学就没有任何其他东西可以用来判别时间上的先后次序。物理学家常说,世界“不因时间的平移而变化”,意指在做各种物理测量时,无论你是选择子夜或是正午当作零点,对于被描述的物理现象来说,完全不会因此而产生任何差别。一切物理过程都不需要有个时间上的“绝对零度”。

这个在时间平移情况下所表现出来的对称性,却意外暗示出一个最基本、最有用的物理学定律,那就是能量守恒律。能量守恒律说,你可以把能量搬来搬去,甚至改变它的形态,但你既不能创造它,也无法毁灭它。

费曼借用漫画人物淘气阿丹的有趣故事,把这条定律解释得一清二楚。淘气阿丹喜欢恶作剧,经常把积木藏了起来,捉弄他的妈妈(详见第4堂课)。

量子力学骇人听闻

书中最具挑战性的一篇讲义乃是最后一堂课,解释量子物理。若说量子力学称霸二十世纪物理学,而且是有史以来最为成功的一套科学理论,则一点也不夸张。

如今我们若要了解各种物理现象,诸如次原子粒子、原子与原子核、分子与化学键、固体结构、超导体(super conductor)与超流体(super fluid)现象、金属和半导体的电与热传导性质、恒星的构造等等,全少不了量子力学。在实际应用上,它更是牵涉广泛,从雷射(laser)到微晶片,不一而足。

所有这些万象,全导自一个叫人难以接受的理论,它不但让人初看之下觉得荒诞不经,再看之后依然无法相信!量子力学开创人之一的波耳(NielsBohr,1885-1962)就曾经宣称,只有尚未搞清楚这项理论的人,才不会被它吓住。

问题的根源是,量子观念跟我们从现实所得到的常识印象,不但不吻合,还格格不入。特别是我们会认为,像电子或原子既是实质的物体,就应该各自拥有它独立的存在空间,是以在任何时刻皆会具备一整套物理性质。但这个看法本身就大有问题。譬如事实上,一个电子就无法同时拥有确切的空间位置以及确切的速率。如果你想单独找出某一个电子的位置,没有问题,你可以藉由测量方法为它定位。如果你要单独测出它的速率,也没问题,你一样会得到明确的答案。但是你却不能针对同一个电子,同时进行这两项观测。而在没法同时观测的条件下,若要硬说电子同时具有明确的位置与速率,当然毫无意义。

这种原子粒子性质的不确定性,正是着名的海森堡测不准原理(Heisenberg’s uncertainty principle)的要义。测不准原理告诉我们,在同一时刻测量到的一些物理性质,诸如位置、速率等,准确度会受到一定的限制。位置的测定数据值愈是精确,速率测定就会变得模糊起来,反之亦然。在涉及电子、光子及其他粒子的运动方式里,都广泛的呈现出这种量子模糊现象(quantum fuzziness)。

某些实验能够显示,粒子遵循着确切的路径划过空间,就像子弹顺着弹道射向目标一样。但是在不同安排下,另外一些实验却显示,前个实验里的同样这些粒子,举止却一如波,呈现出波特有的绕射(diffraction)和干涉(interference)等模式。

针对着名的双狭缝实验结果,费曼的巧妙分析,已经成为科学阐释史上的一则经典范例。其中他把“骇人听闻的”波粒二象性抽丝剥茧的剖析了出来。费曼借用了少数几个极简单观念,把读者带领到量子理论的秘密核心,让读者大众面对那儿所展示的、非常诡异的量子真相本质,看得目瞪口呆。

独创路径积分法

虽然早在1930年代初,量子力学已经上了教科书,但是由于费曼不喜盲从权威的天性,即使他写此书时年纪很轻,却宁愿自己另创一套方法来解说这项理论。费曼方法的优点,是供给了我们一个清晰的画面,从而了解自然界里的量子诡异现象和运作。

费曼的理念重点是:在量子力学中,粒子穿过空间的路径一般都不是非常明确的。我们可以想像有一枚自由运动的电子,从A点行进到B点之前,它并非如同我们依据常识的判断,理所当然的只走两点之间的直线而已,而是一大堆左摇右晃的不同路线。费曼要我们想像,实际上那个电子会去试探所有的可能路径,因而在无法测定那个电子到底走了哪条路的时候,我们必须假设,所有可能的不同路线都或多或少要对实际呈现的结果做出一些贡献。因此当一个电子到达空间中的某一位置,例如目标屏幕时,在那一刹那之前,可能有许多不一样的历史,它们都必须整合起来,才能真正抓住这个事件的因果、始末关系。

费曼的所谓路径积分(path integral)或历史总和(sum-over-histories)法,用来处理量子力学,可清楚表达出:这个不寻常的量子力学概念无非是建立在一个数学程序上而已。

他这个看法发表后,有许多年不太被别人当一回事,咸认为不过是奇谈一桩罢了。但到后来,当有些物理学家想要探测量子力学的极限,并试着把它应用到重力或甚至宇宙学上时,居然发现费曼的方法提供了大家一个描述量子宇宙的最好计算工具。历史上将来一定会有公断,费曼提出的量子力学路径积分法,在他一生对物理学的众多杰出贡献中,影响是否最为深远。

最深刻的科学哲学家

这本书讨论到的许多观念,哲学意味都非常浓厚。但是奇妙的是,费曼一生却从不相信哲学家。

我有一次出难题问他,数学及物理定律之间有何本质上的关系?抽象的数学定律可否认定成一种独立无羈绊的柏拉图式存在而已?费曼起先发表了一段兴致洋溢、极富巧思的说词,解释为何至少从表面上看来,事实确乎如此。但当我进一步逼迫他,要求他就此为例,表明他的特殊哲学立场时,他马上把话题打断岔开。同样有次当我企图逗引他,请他发表一番他对化约主义(reductionism)的看法时,一向口若悬河的他,即刻变得谨慎木讷起来。

经过事后思考,我如今相信,基本上费曼并非故意蔑视哲学问题。正如同他能够不动用系统数学,却做好了数学物理学一样,他未尝借用系统化哲学理论,却能够创造出一些非常正点的哲学见解来。因此他对哲学之所以闭口不谈,是厌恶哲学中的浓厚形式主义色彩,而非它的内涵。

随着世局环境变迁,许多往事一去不再,将来要再出现另一个费曼,恐怕没有那么容易了。费曼十足是因为他出生年代的时势际会,而造就出来的英雄豪杰。费曼的行事作风在处理以下的主题时最见成效,就是巩固改革成果,并且拿这成果当作起点,从事更深远的探索。

战后不久,物理学的基础已经相当稳定,理论结构也渐臻成熟,唯独的负面形势,就是袖手旁观、跟着起闹的人多,真正动手动脑、从事开创的人少。费曼自甫出校门,即迈入一个充满许多抽象概念的奇境,然后他把个人独创品牌的思想,深植于许多世人的心中。这本书给了我们一个难得的机会,得以一窥这位伟大人物的内心世界。


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