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戴森忆费曼:诙谐之外,苦心钻研才是人生主题

传奇物理学家费曼总是与“天才”一词相连,除了他的学术成就,更因为他的“表演”,总是在玩笑中找到发现的乐趣。在费曼的挚友弗里曼·戴森看来,那个总是舞台上的“小丑”是费曼的人生选择,但并不是他的主旋律。在物理世界的费曼,是一位保守者。他的那些经得住时间考验并让每位物理学人受益的成就,是在悠长、缓慢、辛苦的工作中,一砖一瓦建成的,这才是他科学生涯的核心主题。

 

撰文 | 弗里曼·戴森

翻译 | 李盼

图片来源:Shelley Gazin/Corbis

这是一本很棒的精选集,书中关于迪克·费曼的冒险故事都是真的。在我读这些故事时,我听到了迪克的声音,也看到他打着手势。费曼的所有朋友都欠拉尔夫·莱顿一个人情,正是他把这些故事保存在磁带里,还印成了书。我最喜欢的故事是《别闹了,费曼先生!》,这是迪克在普林斯顿大学出席第一场正式茶会的事。当时女主人问他要在茶里加奶油还是柠檬,他的答案是“我都要”。这个回答显示了迪克性格的核心:他对一切都来者不拒,无论是奶油还是柠檬,无论是喜剧还是悲剧。这就是为什么他有那么多疯狂的冒险经历,并且度过了充满创造力的一生。费曼深知慢性病的痛苦和早逝带来的伤痛,但他和莎士比亚一样,知道在每个悲剧中都有属于喜剧的时刻,悲剧英雄会在这种时刻站到一边,把自己的舞台位置让给小丑。要像费曼那样在悲剧发生时保持清醒,做个小丑有所帮助。即使是在康奈尔大学和电子的无限自能较劲时,或在佛罗里达挖掘“挑战者号”航天飞机惨剧的原因时,甚至在阿尔伯克基陪伴他将逝的年轻妻子阿琳时,在这些最为严肃的时刻,他也不是个严肃的人。

在这篇前言里,我主要想写写费曼辛勤工作的偏好。从费曼自己以及他人讲述的相关故事中,人们容易产生这样的印象:费曼大多数时候都在装傻充愣或经历有趣的冒险,只是偶尔中断这种无忧无虑的生活,高度专注于科学研究,并在这期间取得杰出的科学发现。这种印象不完全是错的,但却遗漏了他性格中最重要的一部分。他生活的核心主题正是悠长、缓慢、辛苦的工作,他的全部气力都消耗在对科学难题的苦心钻研上,直到问题得以解决。那些冒险和笑话都很真实,但它们不是主旋律。那些故事在某些程度上让人误解,因为费曼对科学的贡献在风格和实质之间存在一种矛盾的失调。他的科学风格精彩绝伦,令人印象深刻。他用浅显易懂的示意图而非晦涩难懂的微分方程描述自然,他用戏剧性的手势和声音效果而非写满艰深符号的黑板来辅助讲座。

但是他科学研究的实质是保守的。他获得自己见解的方式并非才华横溢地创造,而是对旧理论和实验兢兢业业地筛选。他并不是一个革命者。他尽可能地保留旧理论,通过延伸它们来适应新实验他在旧理论的基础上,一砖一瓦地构建属于他的新理论。他建立的一切都不是仓促完成的,他的所有成果都经受住了时间的考验。就像他经常说的那样,当某些具有革命性的新理念被提出时,这些理念是否正确比它们是否精彩重要得多。无论是重构物理学的基础还是解读一项新实验的结果,他都会不遗余力地保证细节的正确性。他说,科学家的任务是仔细聆听自然的声音,而非告诉自然该如何行事。

《经典费曼:一个好奇者的探险人生》(北京联合出版公司,2022年6月版)

作为物理学家,费曼一生中有两个极富创造力的时期。第一个时期持续了 10年,从1939年到1949年,从普林斯顿大学到康奈尔大学,中间还插入了一段在洛斯阿拉莫斯度过的时光。第二个时期也持续了10年,从1960年到1970年,在加州理工学院。在普林斯顿-康奈尔时期,他用自己的方式重建了有关原子和辐射以及两者相互作用的理论。在加州理工时期,他重建了有关核力和强相互作用粒子的理论。在这两个时期,他都整合了很多令人困惑的实验结果,并利用它们构建起自然运作方式的连贯图景。他尽可能少地依赖现存理论,尽可能多地着力于实验事实。他一点一点地搭建起自己的理论图景,就像面对由数学碎片组成的拼图;他尝试了上百种不同的组合方法,直至找到合适的那种。他也曾经花费多年时间苦苦寻找可能的答案,结果却被证明是矛盾或错误的。

当我还是康奈尔大学的学生时,看着费曼工作会让我想起经济学家约翰·梅纳德·凯恩斯对艾萨克·牛顿的描述。凯恩斯有收藏和研究牛顿手稿的习惯,他写道:“牛顿独特的天赋在于他能够把一个纯脑力问题放在头脑中持续思考,直到看穿问题的核心。我认为他的卓越之处恰在于他那人类曾有过的最强健、最持久的直觉力量。”这段对牛顿的描述也完全可以用在费曼身上,它准确地描述了费曼的工作方式。他把在爱因斯坦相对论框架下计算辐射原子之间相互作用的问题放在脑中十年之久,不言放弃,直到找到答案。我有幸在他苦苦追寻原子与辐射问题答案的第十年认识他,在这最后一年,拼图终于开始逐渐归位。但我看到他在这最后一年里苦苦挣扎,仍会陷入数学的泥潭或走进物理的死胡同,灰心丧气多于兴高采烈。启示并非天才般的灵光一闪,而是在经历了艰苦卓绝的漫漫长夜后,以一种艰难的方式在领悟的黎明中徐徐出现。

在加州理工任职期间,费曼以类似的方式钻研一个复杂得多的问题:将强相互作用的核子拟合成相干图像。这个问题之所以更加复杂,是因为粒子和相互作用的类型多得令人眼花缭乱。费曼把问题解决了一半。他建立了一个理论,即可观测的粒子是由一组更小的被他称为“部分子”的基本成分构成的。以相对简单的部分子成分的行为作为向导,他找到了计算可观测粒子行为的规则。他的规则解释了实验结果,但留下了不少有待以后完善的细节。在这项研究的进展过程中,他一直与更年轻的加州理工同事默里·盖尔曼以及乔治·茨威格交换意见。盖尔曼和茨威格分别抢先建立了自己的理论,虽然和费曼的理论相似,但他们对部分子的描述更加具体。盖尔曼将他的部分子称作“夸克”,而茨威格称其为“A子”(aces)。

如今,距那时已过去五十多年,只有夸克被人记住,而部分子和A子都已被人遗忘。盖尔曼的核子夸克模型成为教学中和被所有人接受的标准模型。费曼一直对盖尔曼和茨威格的发现给予慷慨的赞许,认为他们二人的理论超越了自己。因为这个发现,费曼1977年以个人名义将他们推荐给诺贝尔奖评委会。如果获奖,这将是盖尔曼的第二个诺贝尔奖,但诺贝尔奖评委会没有接受费曼的推荐。

费曼作为科学家的伟大之处并非仰赖于某个特定发现。他的伟大之处在于他创造了正在被全世界的物理学家使用的语言。现如今,要想描述自然的运作方式,所有人都理所当然地用到他的“时空方法”和示意图。时空方法的核心在于从字面上理解古希腊哲学家赫拉克利特所说的“万物流动”。根据时空方法理论,自然从初始状态流动到任何最终状态要同时经过所有可能的历史。每种可能的历史都有一个幅,而幅又有一个量和一个相。要想计算到达最终状态的可能性,你只需要把在此之前的所有这些历史的幅相加,并计算幅之和的平方。通过把描述每个历史的一组图的贡献相加,就可以得到与这个历史相对应的幅。这种通过“历史求和”描述自然的方式,是科学史上的一个伟大的统一原理。

除了十年来对原子和核物理基础的阐明,费曼也研究了其他各式各样的问题。他几乎对所有事情都兴味盎然,并且敢于投身到不熟悉的领域中。他花了一年时间,在加州理工的生物学部做病毒实验。在那一年末,他新发现了一些关于病毒基因突变的有趣事实,但他还是判断自己不是做生物学家的料,于是他带着重燃的热情返回了物理学界。那个时候的生物学全是实验没有理论,而无法建立理论是费曼不能忍受的。重返物理学领域之后,他取得了自认为最美的发现:描述一种名为中微子的粒子与物质如何相互作用的新的自然法则。

在科学的任何分支里,只要有人发现了谜团,费曼就会一头扎进去。20世纪50年代,最具诱惑力的谜团在低温物理领域。1938年,苏联物理学家彼得·卡皮察发现了液态氦在接近绝对零度的温度下会变成超流体。在卡皮察发现这一现象15年后,对超流体的解释仍是著名的未解之谜。超流体是一种奇妙的物质状态。超流体状态的物质一旦动起来就会一直流动,永不减速。费曼接受了挑战并建立了一个基于历史求和计算方法的超流体理论。他指出超流体状态是液体历史求和的自然结果,前提是你必须考虑到所有氦原子都是一模一样的。因为氦原子是完全相同的,所以你必须把所有历史加在一起,包括原子以所有可能方式互换和排列的结果。费曼用一种简单的方式证明液体的运动将会使其自身成为涡流,只要没有外界干扰,它就会永远持续旋转。这个理论解释了为什么液体会是超流态。费曼确立了这个理论后,加州理工学院用新实验详细地验证,结果证实理论是正确的。

费曼提出的对物理现实“历史求和”的理论既有哲学深度,也有实际用处。它给了我们一种计算会发生什么事的快速简单的方法,同时它也为我们提供了一种深入的洞见,让我们知道为什么我们对物质和运动的常识观念具有误导性。费曼知道自然的运作方式就像亚瑟·C. 克拉克所说的那样,不仅比我们想象的奇怪,而且比我们能够想象的更奇怪。对于自然的奇异之处,历史求和理论给了我们一个直观生动的体验。但费曼的计算者身份永远是第一位的,其次才是哲学家。对于他来说,最重要的事情是保证所有细节都正确。就像他的物理现实历史求和理论一样,费曼对于人性的洞察也是既有哲学深度,也有实际用处的。他的某些故事就像他的物理研究一样深刻。在这篇前言里,我强调了费曼科学的一面,对他人性的一面所言不多。之所以这样写,是因为这本书的绝大部分都在讲他人性的一面。如果你想了解费曼人性的一面,我推荐你阅读那篇关于他第一任妻子阿琳生平的文章。这个故事是费曼自己口述的,在文集中名为《你为什么要在乎别人怎么想?》。

这是本书最长的一篇文章,也是费曼最难开口的一个故事。他的精神始终与她的灵魂一同闪耀着光辉。本文经授权摘自《经典费曼:一个好奇者的探险人生》前言。

 



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