查理德·费曼——好玩的天才物理学家
他是美国著名物理学家,1965年,因在量子电动力学方面的成就而获得诺贝尔物理学奖。除了量子电动力学方面的卓越贡献,费曼还建立了解决液态氦超流体现象的数学理论。作为一名物理学家以外,在他一生中的不同时期,他还是无线电修理者、保险柜密码破解高手、艺术家、舞蹈爱好者、手鼓演奏者和玛雅象形文字的破译者。他的世界充满好奇,是一个典型经验主义者。杨振宁说“费曼是一个做几乎任何事情都与众不同的人。”
少年顽童
费曼的父亲麦尔维尔是1895年和父母一起来到美国的,那时他还是个5岁的孩子。他们是白俄罗斯的明斯克人。年轻的时候他对科学产生了浓厚的兴趣,可是他没有足够的经济来源来实现做物理学家的梦想。干了几种杂活之后,他成了一个制服加工公司的业务代表。
在理查德出生之前,麦尔维尔就对妻子露茜尔说:“如果生个男孩子,他准能当个科学家。”为了确保自己的预言实现,他尽了最大的努力。
1918年5月11日,理查德·菲利浦·费曼出生于纽约市。他还有一个妹妹琼,比他小9岁,两个人的关系非常亲密,琼后来也成了一名物理学家。
费曼小时候大部分时光是在法洛克威这个地方度过的。法洛克威位于纽约长岛南岸外一条狭长的海滩上,面积不大,到处是木制平房或红砖公寓。这里风景很优美,小孩们过着无忧无虑的生活。
不管是走路还是骑自行车,法洛克威的小孩在这个到处都是优美景色的环境里过得很愉快。这里的房子很多,房子的外墙上爬满了常春藤,绿油油的使人感到舒适,这里的田野也很开阔,再加上平整的空地,相互掩映衬托,像一幅精心描绘的图画。这里的环境很适合孩子们成长,不过,这个小镇在发展的过程中,房子和篱笆越盖越密,渐渐形成了一个稠密的障碍网,由于空间狭窄,小孩们只能在街上和路边活动了。
在法洛克威,男孩和女孩却仍一如既往地在房子和篱笆中间玩耍。他们从屋后的院子到后边马路边的空地上找到来去自由的空间。他们游戏的时候自订规则,而且喜欢冒险,可以骑着自行车到家长看不到的远处去玩,可以找条船在安全的内水道划来划去,也可以偷偷地到田野或海边沙滩去。
小费曼并不贪玩,他常常自己步行到公立图书馆去,然后坐在门口台阶上,看着人来人往。尽管纽约市给人的感觉是在很遥远的地方,但他很向往外面的世界,因此渐渐感到自己所住的地方冷落。
虽然麦尔维尔和露茜尔都是犹太人,但是他们对孩子的教育却没有狭隘偏执的宗教观念。
当儿子还坐着幼儿专用的高椅子时,麦尔维尔就买了一套浴室用的白色和蓝色瓷砖。他用各种方法来摆放它们,教理查德认识形状和简单的算术原理。
当孩子长大一点时,麦尔维尔就带他去博物馆,并且给他读《不列颠百科全书》,然后用自己的语言耐心地解释。后来费曼愉快地回忆道:“没有压力,只有可爱的、有趣的讨论。”
麦尔维尔教会了费曼怎样思考。他让费曼设想他遇见了火星人,火星人肯定要问很多关于地球的问题。比如说,为什么人在夜里睡觉呢?理蒂怎么回答这个问题呢?这种培养和教导是很有好处的。
年轻的费曼很快就开始自己读《不列颠百科全书》了,他对上面的科学和数学文章尤其感兴趣。他从阁楼上找到一本旧课本,于是就照着课本自学起几何。
费曼在十一二岁时,在家里设了一间小型实验室。实验室里有一个旧的木箱子,里面放了一些架子,还有一架暖气机。费曼常在里面放一些猪油,有时还可以炸一些马铃薯条来吃。他还在里面放了一个蓄电池,一个灯座。
为了用灯座做成电灯,费曼跑到廉价的商店买了一些插座,并把这些插座用螺丝拧在木板上,然后用电话线把这些插座接在一起,通过串联或并联几种不同的开关组合,他得到了不同的电压记录。当灯泡并联在一起时,所有的灯泡都发出亮光,非常漂亮,简直有趣极了!
费曼很喜欢收音机。他从商店买了一架矿石收音机。每天临睡前,经常戴上耳机躺在床上听,有时听着听着就进入了梦乡,当爸爸妈妈晚上外出很晚回来时,他们会来到他的卧室悄悄把耳机摘下。
大约在这一时期,费曼发明了一种防盗用的警铃,看起来却非常简单——一个大电池和一个铃用电线串在一起。打开房门时,电线与电池接通,使电路闭合,铃就会大声地响。有一天晚上,当爸爸妈妈很晚回来,很小心地打开他房门时,突然警铃大声地响起来。他父母被吓了一大跳,以为是什么怪物,而费曼却从床上高兴地跳起来大叫:“我成功了!我成功了!”
费曼小时候搞小发明有时也遇到过危险。有一次,他在玩一个汽车上的火星线圈,当用火星片在纸上打洞时,纸着火了,火一下子就烧到了手指头,不得已只好把全部东西丢进一个金属制的废纸篓,废纸篓里有很多报纸,火很快引着了报纸,在房间内燃烧了起来。
当时妈妈正在起居室与朋友玩桥牌,为了不被他们看见,他把门推上,并顺手拿起一本杂志盖到废纸篓上想把火熄灭。这样火真的灭得很快,当费曼把杂志拿开,房间里充满了烟雾,废纸篓仍然很烫。因此,他拿了把钳子,把废纸篓夹起来走出房间,放到窗口外想把烟吹散。但是外面有风,火花又很快点燃,而附近也没有杂志可用,因此,他把着火的废纸篓又放回房间,这时才突然看到窗户上还有窗帘,幸好没有引燃窗帘,真是危险极了!费曼再次拿起杂志,把火扑灭,并将带有火星的纸灰偷偷带到安全的地方,使其彻底熄灭。然后他走出房间,带上门,告诉他妈妈说:“我要到外面去玩。”这样烟雾总算慢慢地从窗口逸散了。
当时,费曼的心灵手巧还挺有名气。一天,费曼接到一个电话:“先生,你是费曼吗?”
费曼觉得很奇怪,但还是回答道:“是的。”
“这是从旅馆打来的电话。我们这儿有架收音机坏了,希望把它修好,我们知道你一定可以查出毛病。”
“但我只是个小孩子,”费曼答道,“我根本不懂得修理……”
“是的,我们知道这些,但我们还是想请你过来。”
实际上,打电话的这家旅馆是费曼姑妈家开的,但那时他不知道。费曼想了想还是应该过去看看,至少可以试一试。他把一支螺丝刀插在后面的口袋里,就朝那家旅馆走去。这件事后来一直成为笑谈,因为费曼那时个子还很小,而任何螺丝刀放在他的口袋里都显得很不协调,他那带点笨拙的样子让人看了觉得很可爱。
费曼来到那架旧收音机旁,想要把它修好。但是他对这架收音机一无所知。其实旅馆里也有一位维修工人,或许是他,也可能是费曼自己发现了其中的一个小圆块松了。其实那是收音机调节音量的开关,难怪收音机不响。费曼找出了毛病以后,拿了一些元件进来,把音量调节开关修好,收音机马上又响了。
迪克在开始懂事到13岁,一直都接受着犹太教育,但当他到了13岁后,就主动放弃了犹太信仰,转为对科学的追求。关于这一过程的具体细节,我们可以在他的口述传记《你干吗在乎别人怎么想》一书里找到,他这么说道:
我是在一个犹太教徒家里长大的,家人每周五都去教堂。我参加“周日学校”,还真的学过希伯来语呢!可是,于此同时,父亲教我许多科学知识。当教堂牧师谈起那些《圣经》里的奇迹,比方树叶在没风的时候突然抖动起来,我总是试图把它们用自然现象来解释。其中一些《圣经》里的奇迹比较好解释,另外一些就难多了。像树叶的那个故事挺容易解释的。我走去学校的路上听见树叶沙沙地响,可是却没有风。我注意到树叶交错的位置正好稍有所动就会引起共鸣,于是心想:“哈!这可以解释那个伊利亚的树叶发声的奇迹了!”
在费曼上高中第一个学期时,总有些人拿一些几何或其他的难题来找他,那些都是高年级的数学习题。在费曼看来,如果不解出这些难题,是绝不肯罢休的,通常也就是用上15或20分钟。有时,有人拿一道难题来找他解,而他会一下子就为他们做好。所以这些人都为他的快速解题能力而吃惊,把他当成超级天才。
因此,费曼在上学时名气很大,在高中期间,大家知道的谜题他都必定碰到过。每个人深思熟虑过的难题他都知道答案。因此,当费曼后来考上大学进入著名的麻省理工学院学习时,在一个舞会上,一个高年级学生的女朋友也在那儿,她懂得很多难题,她的男友一定告诉过她费曼在解难题方面很内行。因此,跳舞的时候,她走近费曼给他出了一道难题,她说:“费曼,他们说你是个很聪明的人,这里我给你出道题目:一个人要砍8块木块……”
没有等她说完问题,费曼就回答道:“他先每隔一块把木块砍成三段。”因为他早就听过这个题目并且知道应该怎么回答。
真挚爱情
高中毕业之后,费曼进入麻省理工学院学习,最初主修数学和电力工程,后来他在物理学中找到了最适合自己的位置。1939年,费曼以优异的成绩毕业于麻省理工学院,20岁获得该校的科学学士学位。
当时,费曼本来想在麻省理工学院做研究生,他的老师却劝他到别的大学去开扩一下眼界,于是他去了普林斯顿大学,一方面当研究生,一方面当惠勒斯的研究助教。
在普林斯顿大学餐厅用餐时,大家都喜欢形成小群围坐在一起。起先,费曼总是和学物理的人坐在一起,但后来总想了解物理以外的世界,看看其他的人在做些什么,因此他就轮着和每个小群坐一两个星期。
1942年6月,费曼获得了理论物理学博士学位。费曼最可亲的品质之一,是他对于自然的奇迹无休止的好奇心和从全新的角度看问题的能力。
在费曼求学的过程中,一段真挚的爱情影响了他的一生。其实,费曼和阿琳·格林鲍姆从高中时代起就固定约会,甚至在费曼离开家乡去上大学的时候,两个人的关系也在不断深入发展。
就这样,约会了六年以后,他们正式订了婚。尽管两个年轻人的志趣很不相同,他们却共同拥有一种古怪的幽默感。经过多年的交往,费曼和阿琳深深地相爱了。
在费曼被普林斯顿大学录取继续深造时,这种两地分离的恋爱仍然继续进行。在这段时间,阿琳发现自己颈部有一个肿块,并且持续疲惫和低烧几个月,被诊断为结核病。费曼得知检查结果后,认为自己应该跟她结婚以便很好地照顾她。
可是,现在费曼的父母却反对他结婚了,因为他们害怕理查德也传染上结核。他们建议他撕毁婚约,但他拒绝这样做。
于是,就在费曼获得博士学位后不久,他设法让普林斯顿大学附近的一所慈善医院同意接收阿琳。他在轿车里摆了一张床,让阿琳躺在上面,带她去医院。
1942年6月29日,在去医院的路上,一位治安官员主持了他们的结婚仪式。尽管这时费曼已经在忙于曼哈顿计划的研究工作,他还是尽心竭力地照顾阿琳。从他们结婚那天直到阿琳去世,她一直在医院里卧床休养。
1943年春天,普林斯顿大学的科学家们被转移到洛斯阿拉莫斯的实验室,费曼非常不放心阿琳。项目主持人罗伯特·奥本海默在洛斯阿拉莫斯以北60英里的阿布奎基找了一所医院,让阿琳住在那里,这样她的丈夫就可以安心工作。
每个周末,费曼都驱车赶到阿布奎基,与阿琳待在一起。一周当中的其他日子,一对年轻夫妇就互相写信。就是在这种奇特而充满悲剧色彩的情况下,两个人也从来没有失去过机智和幽默。
离原子弹试爆越来越近了,阿琳的病情却在逐步地恶化。1945年6月16日,她去世了,那时他们结婚才三年,离第一次核爆炸只有一个月了。
费曼陪她度过了生命的最后一刻,可是他很麻木,仿佛失去了知觉。他对自己的缺乏感情感到很吃惊。几个星期以后,当他路过一家商店的时候,看到了一件连衣裙,他想要是阿琳穿上一定很美。这时他才突然悲从中来,他失声痛哭,无法自抑。
在理查德一生当中,阿琳一直都是他思想中的核心人物。她教会了他欣赏艺术和音乐;他不断地梦见她,并且给她写信。她去世两年后的一封信是这样开头的:“我爱你,甜心。”接下来理查德写道:“我遇到了很多好姑娘,我也不想老是孤单一人,可是见过两三次面之后她们就都随风而去了。只有你是我的。你才是真的。我最爱的妻子,我爱你。”
可是就在这样感情充沛的时候,他那爱逗趣的天性也不能完全受到压制。在信的结尾,他写上:“又及:请原谅我没有寄出这封信,可是我不知道你的新地址。”
到了晚年,当有人问费曼一生最自豪的是什么事时,他说那就是“我能用尽我所能的爱去爱我的第一位妻子”。
二战期间
当第二次世界大战在欧洲爆发但美国还没有参战时,就有很多人主张要激起爱国心准备参战。报纸上大量刊载商人自愿前往纽约州的普拉兹堡从事军事训练等的报道。
费曼开始想自己也应该做一些贡献才对。他的一位朋友摩里斯·梅耶当时正在陆军通信队,他带着费曼到纽约的通信部队去见一位上校。
“长官,我想报效国家,既然我有科技头脑,也许能做些什么。”费曼讲道。
“唔,你最好直接到普拉兹堡的新兵训练营接受基本训练。然后我们才能用你。”上校说。
“可是难道没有什么方法可以更直接地运用我的才能吗?”
“没有,这是军队的纪律,必须按着一定的规矩来。”上校回答很严格。
费曼感到没有再好的办法,就转身走出来然后坐在公园里考虑应该怎么办。他反复地想:或许贡献自己最好的方法还是照他的规矩来。幸好,他想得多了一点,自言自语道:“去他的!我要等一段时间。也许会有什么事发生,到时候也许会自然用我。”
不久,费曼的机会真的来了。在普林斯顿发生一件令人兴奋的大事。陆军崔契尔将军来演讲,他说:“我们必须要有物理学家!物理学家对陆军太重要了!我们需要三位物理学家!”
当时,人们当然还很少知道什么样的人是物理学家。这是因为人们对物理学了解不多,即使是爱因斯坦在当时也是以数学家著称,所以听到有人需要物理学家是一件很稀奇的事。费曼想:“这可是我报国的机会。”于是,他以自愿者的身份到了陆军部队。
费曼去的是费城的法兰克福兵工厂,制造一个像恐龙一般的机器:一个用来引导大炮的机械计算机。当天空有飞机飞过时,炮手从望远镜里看到它们,而这个机械计算机,可预测飞机的去向。在那个时候,那还称得上是研制最漂亮的机器。它最重要的创意是虽然机器里有非圆形齿轮,但却能吻合,而且齿轮的半径可以改变。后来,这种机器很快就过时了。不久,电子计算机就问世了。
刚来工厂的那一天,陆军部队的人讲了很多关于物理学家对陆军有多么重要的话。然后,他们要费曼做的第一件事就是检查齿轮的设计图,看数字算得对不对。这项工作花了很长一段时间。然后,这个部门的领导渐渐地认识到费曼的才能,并开始和费曼讨论一些问题。
法兰克福有一个机械工程师设计一个产品,很长时间未能完成。有一次,他设计了一个全是齿轮的盒子,其中有一个直径20公分左右的大齿轮,上面有6条辐条。这个人兴奋地问:“你看怎么样?你看怎么样?”
站在他旁边的老约翰回答:“很好!你只要在每条辐条上做一个让轴穿过的地方,这样齿轮才能转!”原来这家伙设计了一个轴从辐条之间穿过!
老约翰继续说下去,告诉他们有一种叫轴承通过器的东西。那是大战期间德国人的发明,用以逃避英国人的扫雷艇,以免他们发现德军控制水雷的钢索,而水雷就在水面下面某一深度。有了这种轴承通过器,英军的扫雷艇便能顺利通过德军的钢索而发现不了任何东西。但老约翰并不真的要那名机械师弄得如此复杂,他应该重新设计把轴承装置装在别的地方。
每隔一段时间军方就派一位中尉军官来视察,老约翰告诉他们由于他们是个平民单位,这位中尉比他们当中任何的官阶都要高,并叮嘱:“千万不要告诉中尉任何事情,一旦他开始认为他知道我们在做些什么,他就会给我们很多指示,然后把事情都搞坏了。”
那时费曼正在埋头设计,中尉来时,他假装不知道自己在做什么,只是奉命行事而已。
“你在这里做什么?费曼先生?”中尉好奇地问。
费曼故意含含糊糊地回答:“我在这里画一连串的线,然后我得从中心点依照这个表测出不同的距离,然后把它列出来……”
“那么,这是什么东西?”
“我想是个凸轮。”事实上,这个东西是费曼正在设计的一种机械,但他假装不知道。
中尉无法从任何人那儿得到任何东西,所以费曼他们的工作进展得很顺利,在制做这个机械计算机的过程中没有受到任何干扰。
一天中尉又来了,他问了一个简单的问题。“假如侦察员和炮手不在同一个地点,你们会怎么处理?”
这个问题使费曼他们大吃一惊。事实上,这个中尉却提出了一个费曼他们恰恰遗漏的重要问题,而这个问题会使得整个工作变得一团糟,成了一个难以收拾的烂摊子。
暑期来临时费曼接到第一个真正的设计工作:一个可以把一组点画成一条连续曲线的机器,它来源于英国新发明的用来追踪飞机的“雷达”。那才是费曼生平第一次做机械设计,所以总有些担心自己不成功。
他去找了那些布置这项工作的人。他说:“你是机械工程师,我对机械工程是外行,而我刚接下这份工作。”
“那并没什么,”那人说:“你瞧,我告诉你。要设计这些机器你必须知道两个原则。首先,每个轴承的摩擦力有多大,每个齿轮接合点的摩擦力是多少?从那些数字,你就能算出需要多大力才能推动这个东西。其次,当你有齿轮比例时,例如2比1,而你不知道应该做成多少齿时,你可用以下方法决定:你去查一下波士顿的齿轮目录,选择位于列表中间部分的齿轮,数字高的这一端齿太多很难制造。如果他们能做出更细的齿轮,他们会把表上的数字提得更高。列表上数字低的这一端齿轮的齿数太少容易断。所以最好的设计都采用列表中间部分的齿轮。”
费曼从设计那台机器中得到很多乐趣。只是从表的中间部分确定齿数,把它和其他技术结合起来,费曼也可以成为一名机械工程师了。
军方并不希望费曼在暑期结束后返回普林斯顿攻读学位。他们一直对他灌输爱国思想,并且答应如果他留下,将让他做一整套的计划。
问题是要设计一个类似先前的那种机器。他们称之为导弹器,但费曼认为这个问题较简单。因为炮手会跟踪在同一高度的另一架飞机的后面。他的机器会自动使炮管倾斜到正确的角度并且点燃引信。
身为此计划的主持人,费曼可能要飞到亚伯丁去取射击表。无论如何,他们已经有了一些预备资料。他注意到飞机可能飞行的大部分高度的材料他们都没有。因此便打电话去问为什么没有有关飞行高度和引信资料,其结果是让他们使用火药引信,而不是定时引信,这种引信在那种高度都不能用,因为它们在稀薄的空气中会熄灭。
费曼试图改变引信在不同高度空气里的燃烧点,没有成功,而引信对于一个能在正确时刻引爆的机器来讲太关键了,因此,费曼感到这种工作太难了。只好罢休,所以就回普林斯顿了。
曼哈顿计划是费曼研究生涯的起点。在洛斯阿拉莫斯,刚刚研究生毕业的费曼跃跃欲试,他获得了一个难得的机会,同一批最伟大的物理学家和数学家一起工作,他们包括:奥本海默、汉斯·贝特、恩里科·费米、爱德华·泰勒,还有约翰·冯·诺曼。
在此之前,费曼发现自己总是跟贝特唱反调。贝特当时已经是一位知名度较高、很受尊敬的物理学家。当贝特说出一个费曼不同意的观点时,费曼总是公开地强烈地表示反对。
经过贝特耐心解释他的推理过程,费曼才能平静下来。可是等到下次观点出现分歧时,这个过程又会重复一遍。贝特一点也不生气,相反,费曼深入的思维给他留下了很好的印象,因此他对费曼产生了一种尊敬。
贝特让费曼到自己手下来工作,让他做了计算组的组长。于是费曼成了几位组长当中最年轻的一位。在那个时候,所有的计算都是由人工完成的,要使用对数表和笨重的机械计算器。在费曼的领导下,计算组的工作效率大幅度提高,老科学家们的工作都要依赖这些计算结果,所以他们对费曼的工作非常满意。
让老科学家们满意的还有费曼那卓越的能力,他能运用逻辑来分析一切复杂问题,找出主要因素,并简单明了地说明需要解答的关键问题。令他们同样满意的是这位年轻的科学家对物理学那富于感染力的热情。
很快,贝特就自豪地宣称:“费曼能做任何事情,所有的事情。”
奥本海默也表示:“他是这里最才华横溢的年轻物理学家,……他有着非常吸引人的性格与个性,……他是一个优秀的教师,对物理学的各个方面都有着热烈的感情。”
亲自参与了释放毁灭性的核能量,又看到挚爱的妻子去世,这使费曼陷入了深深的忧郁,这种情形持续了差不多两年。他不知道自己的忧郁在多大程度上来自于原子弹,又在多大程度上来自于他深爱的阿琳的去世。但是他不能进行物理学研究了,他的创造灵感枯竭了。
因此,战后,费曼来到了大学开始了他的教书生涯。
教书生涯
第二次世界大战以后,费曼在贝特的推荐下,被康奈尔大学聘为教授,讲授数学物理课程。
对于费曼的教学生涯来说,父亲对他早年的训练是无价之宝。最重要的是,麦尔维尔在他身上灌注了一种对于大自然的美的赞叹和欣赏,并使他产生了与他人分享这种感受的灼人的欲望。
他的学生如此来形容费曼的课:
听费曼讲课确实是一种触电的经历。在讲台上,他总是处于动态,正如他喜欢谈论的原子一样。他像个舞蹈演员一样昂首挺胸地在台上走来走去,他的胳膊和双手划出复杂而优美的弧线,配合着他的语言。他的声音时高时低,用来证明他的论点。总而言之,他能牢牢地抓住听众的注意力。
费曼从教学当中得到了活力。学生们经常提出一些深刻的问题,这常常会进一步激发他的头脑,提供研究的课题。有一次他写道:“教学和学生使我的生命得以延续。如果有人给我创造一个很好的环境,但是我不能教学的话,那我永远不会接受。永远不会。”
当然,费曼最可亲的品质之一,是他对于自然的奇迹无休止的好奇心和从全新的角度看问题的能力。费曼喜欢观察最普通的自然现象,并找出其中的道理,这些现象大部分人,包括物理学家在内,都不会注意到。
费曼常说,如果一个人学会了解释简单的东西,他就懂得了解释是什么;也就是说,他理解了科学本身。
费曼具有一种奇特的性格。第一次遇到费曼的人马上会为他的才华所倾倒,同时又会对他的幽默感到吃惊。第二次世界大战后不久,物理学家弗里曼·戴森在康奈尔大学见到了查理德·费曼,他说他的印象是:“半是天才,半是滑稽演员。”
后来,当戴森对费曼非常了解之后,他把原来的评价修改为:“完全是天才,完全是滑稽演员。”
费曼总是用通俗的语言说话,从来不用高深的词语或者词组。他的句子经常不合语法规范。伟大的德国物理学家沃尔夫冈·鲍利曾经表示过对费曼的疑惑:“为什么这个聪明的年轻人谈吐像个无业游民呢?”
费曼喜欢听到别人这样描述他。贝特认为费曼经常“模仿布鲁克林口音和作派”来故意“掩盖他那其实很脆弱的灵魂”。确实,人们很容易看出,他是用插科打诨来掩饰因为失去阿琳而带来的永远挥之不去的悲伤。
虽然费曼一直使用通俗的语言,但是如果他愿意的话,他可以很雄辩地讲话(完全符合语法规范),他还能写出非常优美的诗句。这也许正是对他的天才和自信的最好注释。在他的晚年,费曼努力地做好阿琳认为重要的事情。他开始绘画,并画出了很好的素描和油画作品。
在教学生涯中,爱妻的去世一直缠绕着他,同时,父亲的突然去世也加深了他的抑郁。最终,费曼用一种完全是费曼式的方法打破了忧郁的恶性循环。
有一天,他在康奈尔大学的咖啡厅里看见一个学生抛起了一个餐盘。他给自己提出一个挑战,用公式来描述盘子的转动和摆动之间的关系。
经过一番努力,费曼终于能够证明,就像他观察到的一样,当摆动角度很小时,转动速度是摆动速度的两倍。当费曼兴奋地把这一结果告诉贝特的时候,贝特很有兴趣地听完了他的话,然后问他:这有什么实际价值呢?
费曼只好承认这的确没有任何实际价值。对于费曼来说,这是一次深刻的领悟。他决定从今以后,他只为了自己的兴趣而研究物理。被这个决定激励着,他重新开始研究量子电动力学的问题,早在普林斯顿大学的时候他就开始涉足这个领域了棗最终就是这方面的研究使他获得了诺贝尔奖。具有讽刺意味的是,他发现他出于感兴趣而研究的旋转餐碟的运动,也适用于电子旋转的问题。
在康奈尔大学待了四年以后,费曼厌倦了绮色佳城冬季的气候和小镇的气氛。他对那里学术自由的环境和周围众多的人文学科教授也感到不舒服。所以当他接到加利福尼亚理工学院具有吸引力的邀请时,他马上接受了。此后费曼的全部时间都是在加州理工学院度过的,在那里他进行了最有成果的研究工作。
在加州理工学院,费曼作为一个传奇人物的名声确立起来。随着他越来越显示出在数学上直觉性的才能和对物理学的深刻的洞察力,“天才”这个词也越来越多地与他联系在一起了。
一生成就
1945年7月16日清晨5点29分45秒,当第一颗原子弹在美国新墨西哥州微明的天空中爆炸时,查理德·费曼可能是惟一用裸眼观看的人。聚集在这里的著名科学家和政要人物每人都发给一副电焊工用的眼镜,费曼也不例外。
但他永远都是个叛逆者,他没有戴眼镜,而是躲在一辆大卡车的挡风玻璃后面,他心想这么厚的玻璃一定能够阻挡住紫外线辐射。费曼深知那天将要发生什么事情,就是他领导一个小组,进行了第一个核裂变炸弹所需要的极其复杂的运算。
一道强光穿透了黑暗,顷刻之间它变得非常明亮,一瞬间费曼的目光不由自主地转向一边。然后,光好像灭了一会儿,等它重新出现的时候,已经形成了一个光芒四射的大火球,迅速变幻着颜色,先是白色,然后是黄色,最后变成了橘黄色。一片由烟雾和爆炸碎片构成的黑云冲天而起,渐渐地形成了我们所熟悉的蘑菇形。
费曼感到一股强烈的喜悦之情,几个月艰苦的工作终于结出了果实。但是,由于这次爆炸及其后果,他的生活发生了急剧的变化。
此后的几年中,费曼对物理学的贡献非常之大,以致很多物理学家把他称为“新的”物理学之父,而爱因斯坦则是“早先的”物理学之父。
1965年,费曼和朱利安·薛温格、朝永振一郎共同获得了诺贝尔物理奖,他的主要贡献在于对量子电动力学的理解,这个学科研究的是光和带电粒子之间的相互作用,特别是光和电子之间的相互作用。他在弱核反应和超导研究当中也作出了巨大的贡献。
费曼总是以自己独特的方式来研究物理学。他不受已有的薛定谔的波函数和海森堡的矩阵这两种方法的限制,独立地提出用跃迁振幅的空间-时间描述来处理几率问题。他以几率振幅叠加的基本假设为出发点,运用作用量的表达形式,对从一个空间-时间点到另一个空间-时间点的所有可能路径的振幅求和。这一方法简单明了,成了第三种量子力学的表述法。
1968年费曼根据电子深度非弹性散射实验和布约肯(J.D.Bjorken)的标度无关性提出高能碰撞中的强子结构模型。这种模型认为强子是由许多点粒子构成,这些点粒子就叫部分子(parton)。部分子模型在解释高能实验现象上比较成功,它能较好地描述有关轻子对核子的深度非弹性散射、电子对湮灭、强子以及高能强子散射等高能过程,并在说明这些过程中逐步丰富了强子结构的物理图像。
除了量子电动力学方面的卓越贡献,费曼还建立了解决液态氦超流体现象的数学理论。之后,他和莫雷盖尔曼在弱相互作用领域,比如β衰变方面,做了一些奠基性工作。费曼通过提出高能质子碰撞过程的层子模型,在夸克理论的发展中,起了重要作用。
20世纪60年代末期,在高能电子和核子的深度非弹性碰撞的实验的基础上,他还提出了强子结构的模型理论。费曼的重要著作有《量子电动力学》、《费曼物理学讲义》三卷、《量子力学和路径积分》、与A·R·希布斯合著的《光子强相互作用》等,这些著作中凝聚了这位伟大的物理学家的心血,这些著作将与费曼这个名字一起成为物理学发展史上一块醒目的界碑,它表明费曼对物理学,对人类科技水平的发展与提高作出了永不磨灭的贡献。
费曼有一种特殊能力,就是能把复杂的观点,用简单的语言把它表述出来,这使得他成为一位硕果累累的教育家。在获得的诸多奖项中,他特别感到自豪的,是1972年获得的奥尔斯特教育奖章。
最初出版于1962年的《费曼物理学讲义》被《科学美国人》这样赞誉:“尽管这套教材深奥难懂,但是它的内容丰富而且富有启发性。在它出版25年后,它已经成为讲师、教授和低年级优秀学生的学习指南。”
费曼自己则在前言中写道:“我讲授的主要目的,不是帮助你们应付考试,也不是帮你们为工业或国防服务。我最希望做到的是,让你们欣赏这奇妙的世界以及物理学观察它的方法”。
为了促进普通公众对物理学的理解,费曼撰写了《物理定律的特征》和《量子电动力学:光和物质的奇特理论》等。同时还发表了许多高深的专业论文和著作,这些论文和著作已成为研究者和学生的经典文献和教科书。
费曼还是一位富有建设性的公众人物。1986年,挑战者号失事后,费曼做了著名的O型环演示实验,只用一杯冰水和一只橡皮环,就在国会向公众揭示了挑战者失事的根本原因-低温下橡胶失去弹性。20世纪60年代,费曼还在加州课程设计委员会上,为反对教科书的平庸,作出了努力。
在大家眼中,费曼才华横溢,精力过人,不拘小节,性格好胜,一生用“游戏”或“竞技”的态度来对待人世间的一切事物,在物理学领域以外也作出了许多不寻常的事情。
在洛斯阿拉莫斯时,他奉派到橡树岭去检查安全,以自己的超人的记忆引起了别人的惊讶。在康奈尔时,有人想制造一种新型的计算机,他帮助别人解决了关键性的问题。在调查“挑战者号”失事原因时他用了“半分钟”作了一个不花一分钱的实验,因此而震惊了美国公众。
事实就是,在一次公开生的会议上,他让人给他端来一杯冰水,他用一个夹子夹住一块橡皮放在冰水中,由此证明了橡皮在低温下会失去弹性,演示了推进火箭的管道接口的漏气。他参加调查的方式也与众不同,不是按照官样文章的“日程去开会,而是常常独立活动,私下找具体工作人员去了解情况。他揭发了许多问题,使有关官员大为尴尬。
费曼常常说自己是一个“片面发展的人”,他觉得自己太偏向于科学而缺乏其它方面的“文化”。事实上,他有多方面的才能和兴趣;和一般的科技人员比起来,他的“片面性”肯定要小得多。
由于喜欢破解难题,费曼研究过玛雅人的文字,成了这方面的“业余专家”。他也上过学习画素描的业余学校,并和一个画家约定,他教给那个人量子力学,那个人教给他绘画。费曼直到晚年还随时画速写,他的绘画达到了相当的水平,举办过个人画展。在巴西时,他参加了一个民间乐队,学习“邦戈鼓”,得到了许多人的赏鉴。有一位专业艺术家创作了一个芭蕾舞剧,全剧都用费曼的鼓声来伴奏。这出芭蕾舞剧后来在巴黎的一次比赛中得了第三名。
费曼不喜欢哲学,常常对哲学说些很不尊重的话。但是他所反对的,只是那种纠缠烦琐、故弄玄虚、空洞无物的废话,而不是那种慎思明辨、灵活深刻的本质思维。
作为一位天才学者,他自己对人生和宇宙也正有其深入肌理的看法,而且这些看法也常常在他的言论中和著作中流露出来。在这方面,还有待于我们进一步研究和总结。这其实就是他的哲学,只不过他没指出任可古人来作自己的招牌而已。
在生命即将结束的时候,费曼患了好几种罕见的癌症,他的肾也几乎衰竭。1988年2月15日,他与世长辞,终年69岁。他去世后的第二天,学生们在加州理工学院10层高的图书馆顶楼挂起一条横幅,上面写着:“我们爱你,迪克。”
九泉之下,查理德·费曼对这句质朴的悼词一定会感到满意和感动的。