一篇费曼的介绍

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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