其他

2018-05-26
    



理查德·费曼不仅是一位杰出的物理学家,更是个非同寻常的人物。他极其张扬的个性在理论物理学界可以说是空前的,此后也还没有同类。


他性格外向,天生是传奇人物。他的手鼓,他的秀女郎,他的由大批崇拜者热情培育起来的相当有文化品位的其他一些标志性的偶像特征形象,无不说明了他是个有趣的人。正如徐一鸿先生所说:“在我们这个理论物理学界圈子变得越来越等级森严傲慢自负的时代,费曼是一股清新的风。”


01

当科学大师碰上菜鸟

在普林斯顿念研究院时,我曾经当过惠勒教授的研究助理。他给我一个题目,没想到太难了、做不下去。因此我回过头来,研究早在麻省理工念大学时便有的一个构想,那就是:电子不会作用于自己身上,而只会和别的电子相互作用。


问题是这样的:当电子晃动时、它会辐射出电磁波,这等于散发出能量,而损失能量即意谓有某个力作用在电子上。


更进一步考虑,晃动一个带电的电子所用的力,与晃动不带电的电子所用的力,一定不一样。因为假使在两种情形中所施的力完全一样,但已知在一种情况下粒子损失能量,另一种情况下则不会损失能量——这好像是对同一个问题出现了两种不同答案,根本是不可能的。


当时的标准理论,是电子对自己作用而产生力,称为“辐射反应力”(radiation reaction)。当我在麻省理工开始推敲这个想法时,我并没有注意到这个问题;我一直认为,电子只会对其他电子施加作用。等我到了普林斯顿之后,才听说有这些标准理论,也才明白,原来的构想碰到大麻烦了。


“菜鸟“”费曼(执笔者)与“科学大师“”惠勒(站立拿书者)


这时我的想法是:首先让这个电子晃动,然后根据我的想法,它对附近的电子作用,使它(们)晃动起来。这些被扰动的电子所产生的效应,才是辐射反应力的来源。于是我做了些计算,带着结果去见惠勒教授。


惠勒教授想也不想,马上说:“噢,这里不对,因为你等于说它和其他电子间距离的平方成反比,可是它不应跟这些变量有关。而且,它应该与其他电子的质量成反比,也跟其他电子的电荷成正比。”


使我难过的是,他怎么已经做过这些计算。后来我才明白,像惠勒那样的大师,你给他一个问题,他可以立刻“看”出其中的重点。


他接着说:“而且这会受到延迟,因为辐射波返回较晚。

因此你描述的只不过是反射光。”


“哦!当然。”我颓丧地说。


“等一下,”他说,“让我们假定这反射光是一种超前波,换句话说,这是逆着时间的反应;那么它会在正常时间返回。我们已知道这个效应跟距离平方成反比,如果有很多电子充满整个空间,而且电子数目随距离平方成反比,也许所有的效应便可刚好互相抵消。”


我们发现这个想法确实可行。再次计算的结果非常完美,各方面都对应无误。在古典物理的范围内,这个理论很可能是正确的,尽管它跟麦克斯韦(James Clerk Maxwell)或洛伦兹(Hendrik Antoon Lorentz)提出的标准理论都有很大差异。但它没有电子自我作用理论中出现一些无限大的量造成的困扰;它十分巧妙,且包含了作用量、延迟效应、时间上的向前和向后等物理现象。我们称这套理论为“半超前——半延迟势位”。


惠勒和我觉得,下一步是把目标转向量子电动理论,因为我认为那里也出现了电子自我作用的困难。我们设想,如果我们能够克服这个古典物理中的困难,然后从中发展出一套量子理论,等于同时矫正了量子理论的缺失。


我们可以说已弄通了古典的理论部分。这时惠勒对我说:


“费曼,你年纪还轻,应该就这题目做一个研讨会报告,你需要多练习上台讲演。同时我会把量子理论部分弄出来,过一阵子再做报告。”那将会是我的第一次学术报告,惠勒跑去跟维格纳(Eugene Wigner)教授说好,把我排进研讨会的日程表中。


02

爱因斯坦也来了


轮到我做报告之前一两天,我在走廊上碰到维格纳。“费曼,”他说,“我觉得你跟惠勒合作的研究很有趣,因此我已请了罗素来参加你的研讨会。”罗素(Henry Norris Russell),当代大名鼎鼎的天文学家,要来听我的报告!


维格纳继续说:“我想冯诺曼教授也会有兴趣。”冯诺曼(John von Neumann)是当时最伟大的数学家。“而刚巧鲍立教授从瑞士来访,因此我也请了鲍立来。”天哪!鲍立(Wolfgang Pauli)(注:现译作泡利),1945年诺贝尔物理奖得主,也是很有名的物理学家呢!这时我吓得脸都黄了。最后维格纳说:


“爱因斯坦教授很少参加我们每周一次的研讨会,可是你这个题目太有趣了,因此我特别去邀请他,他也会来。”


这时我的脸一定变成绿色了,因为维格纳还说:“不!不!不用担心!不过我得先提醒你:如果罗素教授边听边打瞌睡——而他是一定会睡着的——那不表示你的报告不好,他在每个研讨会中都打瞌睡。另一方面,如果鲍立教授不停点头,好像表示赞同你说的一切,也不要得意,鲍立教授患了震颤麻痹症。”


我回去告诉惠勒。当初他要我做演讲练习,现在却有这些科学大师要来听我的报告,使我很不自在。


“没关系,”他说,“不用担心,我会替你回答所有的问题。”


我努力准备报告,到了那天,我跑进会场,却像许多没有做过学术报告的年轻人一般,犯了同样错误——在黑板上写了太多的方程式。要知道,年轻小伙子都不懂得在什么时候说:“当然,这跟那成反比,而这会如此这般地演变……”


因为事实上,在座的听众早已知道这些,他们都“看”明白了;可是只有他自己不晓得。他必须靠实际的推算才得出结论——因此他写下一大堆方程式。


会前,我就在黑板上上下下写满了一大堆,还在写着,爱因斯坦跑进来,和颜悦色他说:“哈罗,我来参加你的研讨会。请问你,茶放在哪里?”


我告诉了他,继续写我的方程式。


报告时间终于到了。我面前坐了这些科学大师,全在等我开口讲话!我生平第一次学术报告,却碰上这样的听众!


我的意思是说,他们会问很多难题,我将会大大地出丑了!


我还清楚记得,从牛皮纸袋抽出讲稿时,双手不住地发抖。


但奇迹出现了——事实上我很幸运,类似的奇迹在我一生中一再发生——只要我开始思考物理、必须全神贯注于要说明的问题上,我的脑袋中就再没有其他杂念,完全不会紧张。因此当我开始报告以后,我根本不知道听众是谁了;我只不过在说明这些物理概念。事情就那么简单!


报告结束,开始问问题的部分。坐在爱因斯坦旁边的鲍立首先站起来说:“我不认为这个理论正确,因为这个,这个和这个……”他转头去问爱因斯坦:“你同不同意,爱因斯坦教授?”


爱因斯坦说:“不——,”声音拉长,带着浓重德国口音,很悦耳的一声“不”,很有礼貌。“我只觉得,要替引力交互作用构思一套同样的理论,必定十分困难。”他指的是广义相对论,也是他心爱的“小孩”。他继续说:“由于目前我们还没有足够的实验证据,因此我并不很确定哪些才是正确的引力理论。”爱因斯坦了解,很多想法可能跟他的理论不一样,他很能容忍别人的想法。


我真希望我当时把鲍立说的话记下来,因为几年之后,我发现那套理论用来构筑量子理论上,确是不够。很有可能,伟大的鲍立早已注意到其中的问题,而且当时已对我说明;但由于我不用回答问题,心情太过放松,以致没有仔细听。


我倒是记得,跟鲍立一起走上帕尔玛图书馆的台阶时,鲍立问我:“等惠勒做演讲谈量子理论时,他会说些什么?”


我说:“我不知道,他没有告诉我。这部分是他在做。”


“哦?”他说,“这家伙自己闷着头在做,而没有告诉助理究竟他在做些什么?”他靠过来,用低沉、神秘的语调说:


“惠勒不会举办那个演讲的。”


果然,惠勒一直没有提出报告。原先他以为轻易便可解决跟量子理论有关的部分;他还以为已经做得差不多了,但事实上并没有。到了该他做报告时,他明白了他根本不知应该怎样着手,所以没什么可报告。我也始终没有解决那“半超前——半延迟势位”的量子理论。而老实说,我还为此花了许多年的功夫呢!


03

跟数学家抬杠

在普林斯顿研究院,物理系和数学系共用同一家休闲室。每天下午4点钟,我们都在那里喝茶。这一方面是模仿英国学校的作风,另一方面也是放松情绪的好方法。大家会坐下来下下棋,或者讨论些什么理论。在那些日子里,拓扑学是很热门的话题。


我还记得有个家伙坐在沙发上努力思索,另一个则站在他面前说:“所以,这个这个为真。”


“为什么?”坐在沙发上的人问。


“这太简单!太简单了!”站着的人说,接着滔滔不绝地发表了一连串逻辑推论,“首先你假设这个和这个,然后我们用克科夫理论的这个和那个;接下来还有瓦芬斯托华定理,我们再代入这个,组成那个。现在你把项链放在这里,再如此这般……”坐在沙发上的家伙勉力挣扎要消化这许多东西,而站着的人则一口气又快又急地讲了15分钟!等他讲完之后,坐在沙发上的家伙说:“是的,是的!这真的很简单。”


我们这些念物理的人全都笑歪了,搞不懂这两个人的逻辑。最后我们一致认为,“简单”等于“已经证实”。



因此我们跟这些数学家开玩笑说:“我们发现了个新定理——数学家只懂得证明那些很简单的定理,因为每个已被证明的定理都是很简单的。”


那些数学家不怎么喜欢我们提出的定理,我就再跟他们开个玩笑。我说世上永远不会有令人意外的事件——正因为数学家只去证明很简单的事物。


04

找数学家麻烦


对数学家来说,拓扑学可不是那么简单的学问,其中有一大堆千奇百怪的可能性,完全“反直觉”之道而行。于是我又想到一个主意了。我向他们挑战:“我跟你们打赌,随便你提出一个定理——只要你用我听得懂的方式告诉我,它假设些什么、定理是什么等等——我立刻可以告诉你,它是对的还是错的!”


然后会出现以下的情况:他们告诉我说,“假设你手上有个橘子。那么,如果你把它切成N片,N并非无限大的数。


现在你再把这些碎片拼起来,结果它跟太阳一样大。这个说法对还是错?”


“一个洞也没有?”


“半个洞也没有。”


“不可能的!没这种事!”


“哈!我们逮到他了!大家过来看呀!这是某某的‘不可量测量’定理(注:即不确定性原理)!”


就在他们以为已经难倒我时,我提醒他们:“你们刚才说的是橘子!而你不可能把橘子皮切到比原子还薄、还碎!”


“但我们可以用连续性条件:我们可以一直切下去!”


“不,不,你刚才说的是橘子,因此我假定你说的,是个真的橘子。”


因此我总是赢。如果我猜对,那最好。如果我猜错了,我却总有办法从他们的叙述中找出漏洞。


其实,我也并不是随便乱猜的。我有一套方法,甚至到了今天,当别人对我说明一些什么,而我努力要弄明白时,我还在用这些方法:不断地举实例。


譬如说,那些念数学的提出一个听起来很了不得的定理,大家都非常兴奋。当他们告诉我这个定理的各项条件时,我便一边构思符合这些条件的情况。当他们说到数学上的“集”时,我便想到一个球,两个不相容的集便是两个球。然后视情况而定,球可能具有不同的颜色、长出头发或发生其他千奇百怪的状况。最后,当他们提出那宝贝定理时,我只要想到那跟我长满头发的绿球不吻合时,便宣布:“不对!”


如果我说他们的定理是对的话,他们便高兴得不得了。


但我只让他们高兴一阵,便提出我的反例来。


“噢,我们刚才忘了告诉你,这是豪斯道夫(注:现译作豪斯多夫)的第二类同态定理。”


于是我说:“那么,这就太简单,太简单了!”到那时候,虽然我压根儿不晓得豪斯道夫同态到底是些什么东西,我也知道我猜的对不对了。虽然数学家认为他们的拓扑学定理是反直觉的,但大多数时候我都猜对,原因在于这些定理并不像表面看起来那么难懂。慢慢地,你便习惯那些细细分割的古怪性质,猜测也愈来愈准了。


不过,虽然我经常给这批数学家找麻烦,他们却一直对我很好。他们是一群快乐的家伙,构思理论就是他们的使命,而且乐在其中。他们经常讨论那些“简单、琐碎”的理论;而当你提出一个简单问题时,他们也总是尽力向你说明。


跟我共用浴室的就是这样的数学家,名字叫做奥伦(PaulOlum)。我们成了好朋友,他一直想教我数学。我学到“同伦群”(homotopy group)的程度时终于放弃了;不过在那程度之下的东西,我都理解得相当好。


我始终没有学会的是“围道积分(contour integration)”。


高中物理老师贝德先生给过我一本书,我会的所有积分方法,都是从这本书里学到的。


事情是这样的:一天下课之后,他叫我留下。“费曼”,他说,“你上课时话太多了,声音又太大。我知道你觉得这些课太沉闷,现在我给你这本书。以后你坐到后面角落去好好读这本书,等你全弄懂了之后,我才准你讲话。”


于是每到上物理课时,不管老师教的是帕斯卡定律或是别的什么,我都一概不理。我坐在教室的角落,念伍兹(woods)著的这本《高等微积分学》。贝德知道我念过一点《实用微积分》,因此他给我这本真正的大部头著作——给大学二三年级学生念的教材。书内有傅立叶级数、贝塞尔函数、行列式、椭圆函数——各种我前所未知的奇妙东西。


那本书还教你如何对积分符号内的参数求微分。后来我发现,一般大学课程并不怎么教这个技巧,但我掌握了它的用法,往后还一再地用到它。因此,靠着自修那本书,我做积分的方法往往与众不同。


结果经常发生的是,我在麻省理工或普林斯顿的朋友被某些积分难住,原因却是他们从学校学来的标准方法不管用。


如果那是围道积分或级数展开,他们都懂得怎么把答案找出;现在他们却碰壁了。这时我便使出“积分符号内取微分”的方法——这是因为我有一个与众不同的工具箱。当其他人用光了他们的工具,还没法找到解答时,便把问题交给我了!


本文摘自《别闹了,费曼先生》(吴程远译本)


--SP·SYSU--

栏目编辑:红酒皇

图文排版:小茗同学


    您可能也对以下帖子感兴趣

    文章有问题?点此查看未经处理的缓存