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科學(xué)頑童費恩曼

2009-11-02 10:03歐陽軍
關(guān)鍵詞:惠勒物理學(xué)量子

歐陽軍

小頑童的成長

費恩曼1918年5月11日出生于曼哈頓的一個猶太家庭。他的父親十分崇尚科學(xué),很早就引導(dǎo)兒子用“科學(xué)”的方式去思考。父親告訴費恩曼:對任何事情,不管告訴你的人多么有名,不要相信事實就是這樣。這種態(tài)度貫穿在費恩曼一生的科學(xué)研究中,他總是從最基本的原理出發(fā),用自己獨特的方式解決問題,重新“發(fā)明”了差不多整套物理學(xué)。

費恩曼的母親是極富幽默感和同情心的人,很能欣賞善意的玩笑。如果沒有母親的影響,費恩曼也許成為一個枯燥的學(xué)究,而不是一個率性的“科學(xué)頑童”。

費恩曼十一二歲的時候,他就有了一個實驗室——其實就是一個舊木箱,里面的設(shè)備包括蓄電池、福特線湖、揚聲器等他在自己的實驗室里學(xué)會了修收音機、造防盜鈴,還開通了“費恩曼電臺”。費恩曼對其他學(xué)科也很感興趣,身為孩子王,他經(jīng)常為鄰近的小孩表演利用化學(xué)原理的魔術(shù)。

費恩曼最擅長的還是數(shù)學(xué),他有非凡的數(shù)學(xué)天分,喜歡自己編題目或“定理”,還自創(chuàng)了許多數(shù)學(xué)符號。在小學(xué)畢業(yè)之前,他就用自己的方式發(fā)現(xiàn)了代數(shù)方程的解法,推導(dǎo)出中學(xué)幾何的大多數(shù)規(guī)則。上中學(xué)時,他已經(jīng)在自學(xué)高等微積分這門大學(xué)高年級課程了。

1935年,費恩曼17歲,他考入了著名的麻省理工學(xué)院。

探討睡覺哲學(xué)

進入大學(xué)后不久,費恩曼選修了量子力學(xué)課程。上課的是一位年輕的物理學(xué)家。每當(dāng)這位老師沒以真?zhèn)湔n,講不下去時,他就會轉(zhuǎn)向?qū)W生問:“費恩曼先生,你是如何處理這個問題的?”此時,費恩曼就會接替他把課講完。

費恩曼的理科雖然出色,文科卻讓他頭疼,但憑著一貫的獨創(chuàng)精神,他總是順利通過考試。教哲學(xué)的是個老頭,說話含糊,費恩曼一個字也聽不懂,他常用一個小鉆頭在鞋底上鉆洞來打發(fā)上課時間。到了要寫學(xué)期論文的時候,費恩曼只記得上課聽過“意識流”幾個字。他決定論文就寫意識流,探討睡覺哲學(xué):入睡時意識會發(fā)生什么情況?意識是怎么關(guān)閉的?

在接下來的4周時間內(nèi),費恩曼每天為自己制造兩次“黑夜”,躺下睡覺,以此觀察自己入睡時思維到底發(fā)生了什么變化。最后,他寫了一篇關(guān)于這個實驗的論文。為了給文章潤色,他以一首小詩結(jié)尾:

我想知道這是為什么。我想知道這是為什么。

我想知道為什么我想知道這是為什么。

我想知道究竟為什么我非要知道

我為什么想知道這是為什么。

這篇論文的命運是:教授當(dāng)場朗讀了這篇論文并給了一個“A”。

一生的輝煌成就

從麻省理工學(xué)院畢業(yè)后,費恩曼到普林斯頓大學(xué)攻讀博士學(xué)位。他的導(dǎo)師是年僅28歲的惠勒。

事業(yè)上還沒有大建樹的惠勒不想在一個研究生身上浪費時間。第一次和費恩曼見面,他就掏出貴重的懷表放在桌上,以示自己時間的寶貴。不怕權(quán)威的費恩曼想:好吧,那咱們就玩一下吧。第二次見面時,他先給自己買了一只便宜的懷表,也掏出來擱在惠勒的表旁邊,似乎是說他的時間和惠勒的一樣寶貴,雖然用的是一只便宜表。這種怪異的場面讓兩人都禁不住哈哈大笑,從此成為好友。

費恩曼在普林斯頓研究的是量子電動力學(xué)。量子電動力學(xué)是研究電磁力的理論。這是一個和愛因斯坦的相對論(一種引力理論)相對應(yīng)的研究領(lǐng)域。

在費恩曼之前,量子物理學(xué)研究有兩種截然不同的方法。一種基于波,另一種基于粒子,它們是完全等價的,現(xiàn)在,費恩曼找到了量子物理學(xué)研究的第三種方法:基于作用量,也就是基于粒子的運動軌跡。

這種方法能得到和前兩種方法相同的答案,但它用起來更簡便。重要的是,費恩曼的方法在描述經(jīng)典的牛頓物理學(xué)時同樣有效,從而使研究微觀粒子的量子物理學(xué)和研究宏觀物體的經(jīng)典物理學(xué)發(fā)生清晰的銜接。這是前兩種方法做不到的。

1941年,費恩曼和惠勒一起創(chuàng)立了惠勒-費恩曼輻射理論。1941年,費思曼創(chuàng)立了量子力學(xué)的路徑積分方法。后來,費恩曼又發(fā)明了費恩曼圖,用于直觀地描述粒子的運動軌跡。費恩曼圖在量子物理學(xué)中非常有用,是一種基本工具。物理學(xué)家將費恩曼圖稱為“帶給大眾的計算法”。

撬鎖專家酷玩科學(xué)

1943年,費恩曼參加了研制原子彈的曼哈頓工程。未滿25歲的他擔(dān)任理論部計算小組組長。很快,同事們就發(fā)現(xiàn)費恩曼不但是物理學(xué)上的天才,而且是一個極其愛開玩笑的人。

在研究基地,所有的機密開始時都隨便放在檔案柜里,僅僅用普通掛鎖。為了指出安全隱患,每當(dāng)費恩曼跟某人借文件而對方不在時,他便略施小計打開檔案柜,拿出文件,并留下條子:“這個柜子不難開啊,聰明鬼留。”

終于,有關(guān)部門安裝了保險柜。費恩曼就把自己柜上的鎖拆開研究,又買了兩本教人撬鎖的書,最后竟然可以在10分鐘內(nèi)打開保險柜。不多久,費恩曼就名聲在外了。

1945年底,曼哈頓工程結(jié)束后,費恩曼成為康奈爾大學(xué)的教授。那時,費恩曼剛剛失去心愛的妻子,一度既孤獨又郁悶。終于有一天,費恩曼意識到他要享受科學(xué)帶來的樂趣,根本沒必要擔(dān)心工作的意義和如何發(fā)表論文,能讓自己滿意就行。

費恩曼重新獲得了研究激情。1948年,他解決了后來使他獲諾貝爾獎的蘭姆移位問題。在20世紀50年代,費恩曼又為物理學(xué)做出兩大貢獻:一項是建立超流體模型,屬于低溫物理學(xué)領(lǐng)域;另一項是建立費恩曼形式的β衰變理論。

有一次,費恩曼從《科學(xué)》雜志上看到一篇討論獵犬的文章,提到它們的嗅覺極其敏銳。費恩曼想:人類的嗅覺有多靈敏呢?于是,他開始研究自己的嗅覺。他甚至和自家的狗比嗅覺:趴在地毯上用鼻子嗅,看看能否像它那樣嗅出自己的腳印。最后,他的結(jié)論是:人的嗅覺雖趕不上獵犬,卻也不像想象的那么糟,只是“人的鼻子離地面太高而已”。

費恩曼從小喜歡敲鼓。在巴西講學(xué)期間,他加入了當(dāng)?shù)馗F人的一個桑巴樂團,在其中擔(dān)任邦戈鼓手,和樂隊一起上街參加狂歡節(jié)。

在40多歲的時候,費恩曼對藝術(shù)發(fā)生了濃厚興趣。他拜師學(xué)藝,成了頗有造詣的業(yè)余藝術(shù)家,而且不介意自己的畫掛在酒吧和按摩院里。費恩曼還曾辦過個人畫展。

最得意的是講課

費恩曼是迷人的演說者,他能把聽眾的理解力提高到他們前所未有的高度。加上他風(fēng)趣的語言,他的演講沒有不讓聽眾發(fā)笑的。

1959年,費恩曼作了題為《實際上空間大得很》的著名演講,這是對納米技術(shù)可行性的第一次清楚的陳述。費恩曼在演講中提出了兩個玩笑式的挑戰(zhàn),對解決每個問題的人給予1000美元的獎金。第一個挑戰(zhàn)是在邊長0.4毫米的立方體內(nèi)放一個能運轉(zhuǎn)的馬達,第二個挑戰(zhàn)是在針尖上寫下全部的《大英百科全書》。后米,還真有兩個年輕的物理學(xué)家?guī)е晒麃眍I(lǐng)獎,費恩曼只好自掏腰包給他們頒獎。

1961年至1963年間,費恩曼為大學(xué)新生講授物理學(xué)導(dǎo)論。授課的部分錄音后來整理成三卷本的《講演錄》。這套書在過上的三四十年中從未絕版,是正式課本外卓越的補充讀物。費恩曼自己認為:從長遠看,他對物理學(xué)的最大貢獻不是理論工作,而是他的《講演錄》。因為科學(xué)理論可以來了又去,被更好的理論代替,但科學(xué)的方法,發(fā)現(xiàn)的快樂卻是所有科學(xué)賴以建立的基本原則,

費恩曼的名聲常和這些字句聯(lián)系在一起:一個獨辟蹊徑的思考者,超乎尋常的教師,盡善盡美的演員、小丑、多情種,熱愛生活和自然的人……

他制造了無數(shù)笑鬧軼事。1985年,朋友和他一起把他平時的趣事整理出版,名為《費恩曼先生,你開玩笑!》。這本暢銷書記錄了費恩曼一生的各種玩笑和最有趣的智慧游戲,沒有說教,更沒有深奧的物理,有的是一顆好奇心的種種歷險。

1988年2月15日,理查德·費恩曼斟腎衰竭逝世,加州理工大學(xué)的學(xué)生在學(xué)校11層高的圖書館大樓上掛了一條橫幅,上面寫著:“迪克,我們愛你”。迪克是理查德的昵稱。

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