物理群星
理查德·费曼 肖像

图:加州理工学院年鉴《The Big T》(公有领域)

理查德·费曼

Richard Feynman

1918–1988 · 生于美国纽约 · 美国

量子力学粒子物理

把量子世界画成简笔画的顽童物理学家

诺贝尔物理学奖 1965 在量子电动力学方面的基础性工作(与施温格、朝永振一郎同获)

「第一条原则是不要欺骗你自己——而你自己恰恰是最容易被骗的人。」

—— 1974 年加州理工学院毕业典礼演讲

在二十世纪的大物理学家里,费曼大概是最不像「学者」的一位:他敲邦戈鼓、撬保险柜、在酒吧的餐巾纸上推演方程。但嬉笑的外表下是一颗罕见的头脑——他重构了量子力学的表述方式,把最繁难的计算变成几笔简画,还把「诚实」二字刻进了科学精神的定义里。

远罗卡威的少年

1918 年,费曼生于纽约,在皇后区的远罗卡威长大。父亲是推销员,却用独特的方式教他科学:知道一只鸟的名字,和真正了解这只鸟毫无关系——重要的是看它在做什么。家里的旧收音机被男孩拆了又装,邻居们排着队来找这个「靠思考修收音机的孩子」。从麻省理工学院毕业后,他进入普林斯顿读研究生,入学考试的数学与物理成绩之高,让阅卷人前所未见。

洛斯阿拉莫斯:保险柜与诀别信

战争把他卷进曼哈顿计划。白天,他是理论部里最年轻的组长之一,指挥一屋子人用机械计算器为原子弹算题;晚上,他以破解存放机密文件的保险柜为乐,撬开后只留一张纸条,嘲弄军方的安保形同虚设。玩笑的背面是深渊:妻子艾琳患肺结核,住在附近的疗养院里,1945 年 6 月去世。一个月后,费曼在沙漠中目睹了人类第一朵蘑菇云。次年他给亡妻写了一封信:「请原谅我没有寄出这封信——因为我不知道你的新地址。」这封信直到他去世后才被人发现。

一句话与一条路

在普林斯顿时,物理学家耶勒给他看了狄拉克 1933 年的一篇论文,其中说量子演化振幅与经典作用量的指数「相对应」。费曼追问:「相对应」是不是「成比例」?他当场演算,果然如此。顺着这条线索,他在惠勒指导下建立了路径积分表述。战后他更进一步,把量子电动力学里的每一项计算画成小图:直线是电子,波浪线是光子。1948 年他在波科诺会议上首次展示,听众一头雾水;次年戴森证明这套图与施温格、朝永振一郎的繁复方法完全等价,而且好用得多。1965 年,三人同获诺贝尔奖。

讲台上的魔术师

1950 年代起,费曼定居加州理工学院。1961 到 1963 年,他为本科生连讲两年基础物理,讲稿编成三卷红皮书《费曼物理学讲义》,至今仍是全世界物理系学生的经典。他的信条是:如果不能把一个概念讲到大一新生听懂,说明我们自己还没真懂。课堂之外,他在巴西的桑巴乐队里打鼓,在酒吧敲邦戈——这些荒唐事 1985 年结集成《别闹了,费曼先生》,成了科学圈最畅销的自传之一。

底下的空间还很大

费曼有两次站在讲台上,谈了当时根本不存在的技术。

1959 年 12 月 29 日,他在美国物理学会年会上做了题为《底部还有大量空间》的演讲。他问:为什么不能把《大英百科全书》全部内容写在一枚针尖上?他算了一遍,只要把每个字母缩到几十个原子的尺度就够了,而这不违反任何物理定律。他接着谈到逐个原子地搭建物质、用小机器造更小的机器,并自掏腰包设了两个一千美元的奖——给第一个把一页书缩小到两万五千分之一的人,和第一个造出边长四百微米以内可控电机的人。两个奖后来都被人领走了。这场演讲今天被当作纳米技术的开山之作。

1981 年他又做了一次。当时人们已经在用计算机模拟量子系统,却发现代价高得离谱:模拟 N 个量子比特,经典计算机要跟踪 2ᴺ 个数,四十几个粒子就能把地球上所有内存吃光。费曼的建议直截了当——既然自然本身是量子的,就别用经典计算机去模拟它,造一台本身就是量子的机器。这篇《用计算机模拟物理》是量子计算最常被引用的源头。

两次他都不是在做研究,只是在演讲里想问题。四十年后,这两个方向各自长成了一个产业。

冰水里的真相

1986 年 1 月 28 日,挑战者号航天飞机升空 73 秒后解体。费曼受邀加入调查委员会。在全国直播的听证会上,他不动声色地把一段 O 型密封圈样品夹紧后放进冰水,几分钟后取出:低温下橡胶失去弹性、无法回弹——发射当天的严寒正是灾难的直接诱因。一个中学生都能看懂的演示,胜过千页报告。他在调查报告附录里写道:「对一项成功的技术而言,现实必须优先于公关,因为大自然不可欺骗。」

最后一课

此时他的腹部癌症已多次复发。1988 年 2 月 15 日,费曼在洛杉矶去世,终年 69 岁。弥留之际短暂醒来,留下最后一句话:「我可不想死两次,这太无聊了。」他办公室的黑板上还写着一行字:「凡我不能创造的,我就不理解。」加州理工的学生在最高的楼上挂出横幅——「我们爱你,迪克。」

代表方程

路径积分

⟨xb∣e−iH^t/ℏ∣xa⟩=∫Dx eiS[x]/ℏ\langle x_b|e^{-i\hat{H}t/\hbar}|x_a\rangle = \int \mathcal{D}x\, e^{iS[x]/\hbar}

粒子从 A 到 B 不是只走一条路,而是同时走遍所有可能的路径;每条路径贡献一个「相位」,全部叠加起来,就是量子世界给出的答案。

伟大发现

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.费曼《底部还有大量空间》,1959 年 12 月 29 日美国物理学会年会演讲——纳米技术的开山之作
  2. 2.费曼《用计算机模拟物理》,《国际理论物理杂志》第 21 卷第 467 页(1982)——量子计算最常被引用的源头
  3. 3.诺贝尔奖官方资料页:理查德·费曼,1965 年物理学奖