費曼:魔術師般的物理學家—新聞—科學網

2020-12-08 科學網

《費曼傳》,楊建鄴著,金城出版社2016年7月出版

■彭英

費曼的傳記是不容易寫的。一是因為他發現的量子電動力學非常複雜,很難講得通俗易懂,其中發現的過程又反反覆覆,難於梳理出頭緒;二是他是一位最受到人們歡迎的大科學家,在20世紀除了愛因斯坦、霍金,費曼就是大眾最熟悉和最喜愛的科學家,在我國出版費曼寫的很有趣的書籍,不說多如牛毛,也至少有十好幾本,例如僅僅費曼寫的《別開玩笑了,費曼!》和《幹嘛在乎別人怎麼想?》這兩本書,在國內恐怕有三四個版本。湖南科學技術出版社幾乎出版了費曼寫的或與他人合作寫的所有的書籍。在這種眾人十分熟悉傳主的情形下寫一本費曼傳記,其難度可想而知。

作者楊建鄴先生說,他開始想用的書名是《魔術師費曼傳奇》。為什麼會用這樣一個書名呢?作者說這是因為美國著名物理學家馬克·卡克(Mark Kac)寫過一段很著名的話:

天才分兩種:普通天才和魔術師天才。

普通天才和一般人也沒有什麼不一樣,只是比一般人聰明好幾倍。他們的思考方式並沒有任何奇特之處。一旦我們了解他們的研究,便會覺得自己也能做得到。魔術師就不同了。……他們自有一套思維方式,一般人根本無從捉摸。就算我們能夠明白他們的研究結果,對他們的推論過程仍是一無所知。他們很少有門生,因為沒有人能學得他們的真傳。如果有位聰明的年輕人拜他們為師,他一定會覺得力不從心,跟不上魔術師令人仰之彌高的思維。費曼是最高明的魔術師。

費曼就是一位魔術師般的天才。再加之費曼特別喜歡開玩笑,喜歡穿一些奇裝異服搞笑。作者在書中給出了好幾幅費曼的照片,從這些照片上看,費曼的的確確像是一個巫師或者魔術師。為什麼費曼喜歡這樣裝扮自己呢?費曼的好友和合作者戴森對此有自己的看法。在他寫的《我的偶像崇拜》一文中,用莎士比亞來做比較:

除了對科學有著異乎尋常的熱愛,費曼還對開玩笑樂此不疲,對各種常人的樂趣也興致盎然。在為理解自然規律而英勇奮鬥的餘暇,他喜歡與朋友們一起放鬆,喜歡打他的邦戈鼓,喜歡通過耍花招或講故事來與大家逗樂。在這方面,他與莎士比亞也有些類似。從威爾遜的書中,我抄摘了瓊生下面這段記述:「他專心寫作時,會夜以繼日;一直給自己施壓,不到精疲力竭,絕不放鬆;而一旦從工作中脫開身,他又會全身心地投入各種運動和娛樂之中;這時想將他拉回書桌邊基本上是沒希望的;但是一旦重新開寫,他會因為得到了放鬆,而變得更強悍更認真。」這就是莎士比亞,也是我熟知和熱愛的費曼——我崇拜的偶像。

最令人驚訝的是,量子力學這麼難於為人們接受,連被稱為「上帝的鞭子」的泡利(W. Paoli)都被量子力學弄得灰心喪氣,卻沒有引起人們重新審視量子力學的源頭,以便對它的基礎做一番徹底的改革。當時還是量子力學新手的費曼,卻非常不滿意這種現狀,立意要重新改寫量子力學的基礎。這可真是「初生牛犢不怕虎」啊!

經過一年多的努力,費曼居然真的獨自闖出了一條新路——路徑積分(path integral)!這是一種完全不同於以往進入量子力學的路線。一位原來嘲笑費曼自不量力的同事驚呼道:「怎麼也沒有想到會有另外一種方法來建立和理解量子力學!」

在建立量子電動力學的時候,幾乎所有的物理學高手都陷入極其複雜的計算而且不得要領,這時費曼卻再次像變魔術一樣,向物理學家們展示一種「費曼圖」(Feynman diagram)。當時幾乎沒有一個人認真對待這種魔術一般的圖樣,而且還受到許多人的嘲弄。哥本哈根學派首領玻爾(N. Bohr)氣得吹鬍子瞪眼睛地說:「這位年輕人以為量子力學就那麼容易讓人亂七八糟地擺弄著玩的?他忘記了粒子是沒有軌跡可循的?!」

幸好在他的朋友戴森的努力下,物理學家們終於理解了這種魔術般的圖形的巨大威力:它甩開了繁複困難的計算,使得量子電動力學變得非常簡單易懂,連初學的人也立即可以深入討論其中的種種機制和預見後果。難怪戴森說:「費曼發明了一種描述量子過程的新方法——使用示意圖代替方程來表示相互作用的粒子。他為進行這個特定的計算而發明的『費曼圖』,在物理學上引起了一場革命。這些圖不僅是一種有用的計算工具,而且是理解大自然的一條新途徑。費曼的基本思想簡單而通用。如果我們要計算一個量子過程,我們只需畫出所有可能發生的相互作用的示意圖,遵照某些簡單的規則,計算與每幅圖對應的一個數字,然後將這些數字加在一起。因此,一個量子過程不過是一組圖,每一幅描述該過程可能發生的一種方式。」

費曼圖為我們提供了量子過程的一種可視化表示,這種簡單的表示不僅適用於氫原子,而且適用於宇宙中的所有東西。這些圖被發明20年以來,已成為全世界粒子物理學家的工作語言。

當大家弄懂了費曼圖以後,沒有人不對費曼表示驚訝和敬佩!戴森還引用英國著名詩人本·瓊生(Ben Jonson)寫的一首詩《緬懷我的敬愛的大師——威廉·莎士比亞》中的一段話:「他不屬於一個時代,而屬於所有的世紀!……」表示自己對費曼的敬仰。

此前對費曼圖嗤之以鼻的普林斯頓高等學術研究院院長羅伯特·奧本海默(R. Oppenheimer),也立即放下手上的工作虛心地聽費曼給他「細說端詳」。費曼還洋洋得意地把費曼圖畫上了他的汽車招搖過市。

費曼不僅在一般人心目中,而且在物理學家心目中也成為一位魔術大師了!

更讓人佩服得五股投地的是費曼處理《挑戰號》(Challenge)太空梭發射後幾秒就爆炸的事故分析。那麼多航天技術專家都不能分析,卻偏偏找到這位理論物理學家進入事故分析小組!外界理所當然地會一片譁然:「這簡直是『喬老爺亂點鴛鴦譜』嘛!」沒有人相信一個專門從事理論研究的物理學家,能夠分析如此複雜的技術問題。但是,沒有多久,全美國人都在1986年2月12日的《紐約時報》上看到,這麼複雜的技術問題居然真的被費曼解決了!《紐約時報》上還刊登了費曼的一幅照片,顯示他如何在聽證會上說明他對事故分析的結果。

這一次,全美國的人甚至於全世界的人,都領教了這位魔術大師的風採和本領。

我想,讀者看完楊建鄴先生寫的這本《費曼傳》,一定會進一步理解理察·費曼何以是一位偉大而又可愛的物理學家。

《中國科學報》 (2016-09-23 第6版 讀書)

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