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從 “搞不清楚” 到 “都明白了” 的費曼

8.14 知識分子 The Intellectual

美國理論物理學家費曼(1918-1988)|圖源:thetalentedworld.net



編者按

費曼是一位天才的理論物理學家,在國内外都受到廣泛的追捧。在上個世紀50年代楊振甯、李政道等人探索 “奇異粒子” 的時候,他起先坦言不懂李、楊的工作,卻被人慫恿而提出質疑,其後聲稱在很短時間内搞明白了一切,由此可見其聰明過人和毫無矯飾的傲慢輕狂。

學界同行對費曼的風格評價不一,但顯而易見的是,他是個 “異數”,其聰明、輕狂與表演天才,是任何人也學不來的。

本文原系劉鈍教授近期發表在《科學文化評論》上的一篇文章,《知識分子》今天發表其第二部分 (第一部分:

撰文|劉鈍(中國科學院自然科學史研究所/清華大學科學史系)

1 費曼與宇稱問題 費曼 (Richard Feynman,1918-1988) 是一位天才的理論物理學家,機敏過人又好開玩笑,從麻省理工畢業後在普林斯頓大學獲得博士學位。由于專業的關系,與楊、李二人有過一些學術上的交往,他在那本半自傳性的暢銷書《别鬧了,費曼先生》 [1] 中講述了一些趣事。
在題為 “不要太相信專家” 的一節中,費曼回憶了圍繞着宇稱問題的一段往事。說他在一次會議上 (注1) ,聽到了有關奇異粒子的 “θ-τ之謎”,坦言 “那時候,我還有點搞不清楚情況,我總是有點落後。”
某天晚上,與他同住一室的實驗物理學家布洛克 (Martin Block) 對他說:幹嘛要死守着宇稱規則?也許θ和τ根本就是一種粒子。費曼想了一下補充道:那就是說宇宙定律會分成左旋和右旋兩種,盡管會有些不良後果,我也不覺得會有多麼可怕。于是他對布洛克說,你明天應該去問問那些專家,後者說:“不,他們不會聽我的,你來問。”
第二天開會時,主持人奧本海默說:“我們應該聽一些新一點、怪一點的意見。”于是費曼站起來說:“我是替布洛克問這個問題的:如果宇稱規則錯了,會有什麼後果?” 他又寫道:“之後葛爾曼 (中文文獻更多譯作蓋爾曼) 經常笑我,說我當時沒膽量用自己的名義問問題。但事實上那不是原因。真正的原因是,在當時我就感覺到那可能是個很重要的想法,誰提出這個問題,往後很可能會名留青史。” (注2)
費曼接着寫道:
“李政道站起來,回答了一些很複雜的東西,而按例我又是不太聽得懂。會議快結束時,布洛克問我李政道說了些什麼,我說不知道,但就我所知,這問題還沒有答案——還是有可能發生的。”
費曼後面的叙述有些淩亂,先是說 “吳健雄以實驗證明了宇稱也有不守恒的時候,而這替貝塔衰變理論帶來了許多新的可能性,也啟發了一大堆其他實驗”,“期間在羅徹斯特舉行了一個會議” (注3) ;他又提到 “李政道已在發表關于宇稱不守恒的論文。他和楊振甯做出宇稱并不守恒的結論,現在他正提出解釋這現象的理論”。 [1]

圖1 楊振甯與李政道在讨論問題| 圖源:普林斯頓IAS


費曼接着寫道:會議期間他住在附近的妹妹家裡,把論文 (注4) 帶回來時還說:“我搞不懂李政道和楊振甯說的東西,這全都那麼複雜!”妹妹卻不以為然,建議他把論文帶到樓上去逐字逐句細讀。“我接受了她的建議,把那東西從頭看到尾,發現它真的很明顯簡單。”
下面的叙述就益發顯出費曼色彩了,他寫道:
這篇論文提醒了我很久以前做過的一些研究,那是跟左右不對稱方程式有關的。現在再來看李政道的方程式,我發覺他的答案比較簡單:所有東西都是左旋耦合的。就電子及渺粒子(muon)來說,我的推論預測跟李政道的一樣,除了我把某些加減号颠倒過來而已。當時我沒想到:其實李政道隻不過讨論了最簡單的渺粒子耦合例子,并沒有證明所有渺粒子都向右旋;但按照我的理論,所有渺粒子會自動右旋。因此,事實上我的推論比他的更上一層樓了。我的加減号跟他用的颠倒,但我沒意識到我其他部分全都弄對。
我又做了幾項預測,全是些還沒有人想到過用實驗驗證的情況。可是當我考慮中子和質子,進行計算時,我的結論無法跟當時已知的中子和質子數據互相印證。這部分有點兒麻煩,不好弄。
第二天回到會場,有個叫凱斯(Ken Case)的大好人,把他發表論文的時間分了5分鐘給我,讓我報告這些新想法。我說我相信一切都是左旋耦合,又說電子和渺粒子的正負号用反了,此外我還在努力解決中子的相關問題。[1]
2 費曼與V-A理論 會後費曼到巴西度假,回來後 “立刻想知道貝塔衰變的研究進展得如何了”,得到的數據卻不盡人意,直到有一天加州理工的同事告訴他,蓋爾曼 (注5) 猜測中子的貝塔衰變可能是V和A而不是S和T,他突然從小闆凳上跳起來說:“那麼我全——部——都明白了!”
當晚他 “就用這個理論把一切都計算出來” (注6) ,首先是渺粒子和中子的蛻變速度,“結果跟應有的答案” 非常接近;“繼續檢查其他的一些計算,全都符合,再計算新的東西,也符合。這是我生平第一次、事實上也是唯一的一次,我知道一個别人都不知道的自然規律。” (注7)
他還聯想到狄拉克 (Paul Dirac,1902-1984) 及其 “單獨擁有” 的偉大方程,“而現在我也擁有這個新的貝塔衰變的方程式。它沒有狄拉克方程式那麼耀眼,但它也很不錯。這是我唯一一次發現了新定律。”
費曼把V-A理論視為自己 “唯一的一次” 發現自然定律令許多人不解,包括蓋爾曼、楊振甯在内的衆多一流物理學家都認為他的最大貢獻是路徑積分。對此有人給出了一個解釋,認為在費曼眼中路徑積分更像是一個原理而不是具體的定律,盡管不能獨享V-A理論的發明權,但是他在探索過程中體會到的激情與對自然定律的膜拜是無與倫比的 (參閱施郁:“永遠的少年——費曼的影響為何長盛不衰”,《科學》,70卷6期,2018年)

圖2 蓋爾曼 | 圖源:維基百科


就這樣,費曼從上一年的 “搞不清楚” 變成現在的 “都明白了”。他馬上給在紐約的妹妹打電話,“謝謝她建議我坐下來好好地通讀李政道和楊振甯的論文”。随後他又繼續努力計算,“得到很多相互吻合的結果”。
其間冷落了兩位女士,他也不忘寫進書裡。第一位多半是女友 (注8) ,聽說他度假回來卻沒有立刻給她打電話,有些生氣,淩晨兩三點突然跑過來,而費曼正心無旁骛地埋頭工作,“我忘記後來怎樣讓她離開了,總之并不容易”,費曼寫道。
第二位是稍後在夜間餐廳邂逅的一位女士,他興奮地告訴對方自己剛有了一個大發現,女士卻說自己 “是一個消防員或什麼的妻子,很寂寞”,費曼接着寫道:“但我沒興趣。有時候人生就是如此地相互交錯。” [1]
關于V-A理論的誕生,蓋爾曼傳記 [2] 的說法似乎更為全面,書中是這樣叙述的:早在第六次羅徹斯特會議之前,來自印度的博士生蘇達山就與羅徹斯特大學的導師馬沙克讨論過V-A問題,認為這種矢量減軸矢量的組合可能是适于所有弱作用的理論框架,蘇達山很想在會上報告自己這一想法,但是作為東道主的馬沙克覺得讓研究生在衆多知名科學家面前發言不合适。
會後的那個夏天,馬沙克帶着蘇達山與另一名研究生到加州聖莫尼卡的蘭德公司工作,蘇達山則利用這個機會繼續鑽研弱相互作用的統一問題。
另一方面,蓋爾曼早在兩年前就考慮過奇異粒子與貝塔衰變可能包括軸矢量流,在蘭德公司偶然遇到馬沙克後這一想法死灰複燃,特意安排了一次午餐聚會以便了解蘇達山與馬沙克的更多工作,後者也從蓋爾曼那裡獲知加州理工學院的貝姆 (Felix Boehm,1924-2021) 正在進行的實驗支持V-A型方案 (注9) 。但是當他們問蓋爾曼是否計劃寫論文的時候,後者回答說可能不會。
随後蓋爾曼與夫人前往加州北部山區度假,等他回到加州理工時,發現剛從巴西回來的費曼正忙着準備有關V-A的論文,于是加州理工當時最聰明的兩個人坐在各自的辦公室裡準備一場決鬥。
系主任巴徹 (Robert Bacher,1905-2004) 聞訊後進行了幹預,要求他們合作撰文。論文主要由費曼撰寫,内容是兩人共同讨論的結果。
文章于1957年9月16日投送到美國物理學會的《物理學評論》,1958年1月1日正式發行 [3] 。文末的緻謝有點不同一般,他們先是一緻感謝貝姆等人,而作者之一的蓋爾曼則強調與馬沙克和蘇達山的富有價值的讨論 (注10)
《蓋爾曼傳》中還提到這樣一個有關費曼作派的細節:據說他從巴西度假回來途徑紐約,曾向李政道詢問“應該相信哪些東西,李政道告訴他最好的辦法就是抛硬币”。他與蓋爾曼論文的預印本出來後,也給李政道寄了一份,在空白處潦草地寫了一句話:“我抛了硬币,這是答案。”
該書接着寫道:“李政道後來懊悔地告訴别人,他本該把費恩曼的硬币借來。 不過李政道也沒什麼遺憾的,那年秋天,他和楊振甯因那篇宇稱破壞的文章而獲得了諾貝爾獎——這是有史以來頒獎中最快的一次。” [2]
這時候蘇達山已從羅徹斯特畢業而轉到哈佛跟施溫格 (注11) 做博士後,在一次楊振甯的講座上吃驚地獲悉V-A理論已屬費曼,他又從年輕同事格拉肖 (注12) 那裡聽說費曼與蓋爾曼已向《物理學評論》投稿,于是馬上給導師馬沙克打電話,後者一直認為他與蘇達山的論文将很快在意大利會議 (Padua-Venice International Conference,1957) 的論文集上發表,沒想到費曼與蓋爾曼搶在前面。
經過一番努力,《物理學評論》3月1日以 “讀者來信” 形式發表了他們的簡要報告 [4] ,比費曼他們晚了整整兩個月。這篇隻有一頁半的簡報題為 “手性不變性與普适費米作用”,兩位作者在一個注釋中提到費曼和蓋爾曼獨立地得到類似的表達式并感謝他們提供論文預印本。
多年來蓋爾曼對此事一直感到内疚,曾在不同場合提到蘇達山是第一個提出V-A理論的人,也總是樂于為蘇達山寫熱情洋溢的推薦信,還曾為業内普遍存在的誤解向馬沙克道歉。
費曼的反應稍遲,然而也是真誠的,下面要引用印度裔美國物理學家與科學史家梅赫拉 (Jagdish Mehra,1931-2008) 的說法。梅赫拉與費曼相識30年,後者去世前不久邀請他前往醫院,作了三個星期的深度訪談,之後他又采訪了費曼的80多位同事與朋友,最終寫成《一個與衆不同的鼓的敲擊:理查德·費曼的生活和科學》 [5] 這本内容詳實的傳記。
書中有一節的标題是 “ '我有權宣稱自己擁有的唯一自然定律’:弱相互作用理論” ('The only law of nature I could lay a claim to’: The theory of weak interactions) ,引号中的話顯然出自費曼自己那本半傳記性的暢銷書。梅赫拉書中寫道:1974年在費城召開的弱相互作用會議上,費曼在總結發言中說:“我們有一個由馬沙克和蘇達山發明的 (invented) 弱相互作用的普适理論,由費曼和蓋爾曼發表 (published) ,最終由卡比勃 (注13) 完成 (completed) ——我稱之為弱相互作用的普适理論——也就是所謂的V-A理論。”
1985年,費曼在京都大學召開的紀念介子概念提出50周年的學術研讨會上,從馬沙克那裡獲知蘇達山一直為優先權未得到應有認可而郁郁寡歡。8月17日,當馬沙克已經啟程回國後,費曼從京都給他寄出了一封信,辭意懇切,隻是不經意地再次流露出獨特的 “費曼風格”:“我真希望未曾引起過你和蘇達山那樣的不悅,隻要有機會我都将努力說明真相——但是當我認真的時候卻沒有人相信我。” (注14)
蘇達山的後半生則一直活在自己的成就沒有獲得應有承認的陰影中,除了V-A理論之外,他在量子光學領域引入的突破性的對角線表示法被人改名利用并榮獲2005年諾貝爾物理學獎,為此多位知名物理學家向瑞典皇家科學院與諾貝爾獎委員會申訴抗議,後來他又被多次提名均未果。
3

費曼風格的不同評論

費曼智力超群,科學成就卓著,是20世紀中後期最具影響的理論物理學家之一。關于費曼的天才與作派,不少名人留下了精到的評論。
量子力學的祖師級人物玻爾 (Niels Bohr,1885-1962) 說:“費曼自信且正直,不畏懼權威,這是唯一一個不怕我、敢于指出我的錯誤的人。”施溫格認為他是 “一個誠實的人,是我們這個時代傑出的直覺主義者,也是任何一個敢于追随不同鼓點的人将會面對的最好榜樣” [5] 。戴森 (注15) 一開始說他 “半是天才,半是滑稽演員”,後來改成 “完全是天才,完全是滑稽演員。”

圖3 1950年代的費曼與楊振甯 | 圖源:Science and Society Picture Library


不久前閱讀剛出版的《楊振甯訪談錄》 [6] ,看到楊先生說 “我不喜歡費曼這個人”,“對于他,沒有什麼東西叫做公平公正”,“是一個不講理的人”。楊振甯感到最不高興也是很奇怪的一件事,就是費曼對戴森的态度。
據楊先生說,戴森是第一個欣賞費曼的人,也是他向奧本海默說明費曼的方法與施溫格和朝永振一郎他們一樣有效,在自己寫的好幾本書中也一再推崇 費曼; 反過來費曼卻對别人說戴森沒有什麼貢獻。 不過,楊先生也充分肯定費曼工作的原創性,在同一次訪談中,他說費曼的路徑積分 “抓住了量子力學真正的精神”。

圖4 施溫格 | 圖源:維基百科


1995年在華盛頓特區舉行的一個紀念施溫格的會議上,楊振甯回顧了重整化理論的發展曆史,認為施溫格是 “第一個征服重整化高峰的人”,而費曼更像 “一位令人眼花缭亂的表演家”。他認為将這兩位生于同一年的偉大物理學家加以比較是有意思的,并半調侃地建議寫一本題為《一項比較研究:施溫格和費曼》的書,其中的結論應該是這樣的:
百分之二十生動的玩笑家,百分之二十專門的違規者,百分之六十偉大的物理學家,費曼為了成為偉大表演家和成為偉大的物理學家做出了同樣的努力。
腼腆、博學、講精緻而流暢的英語,施溫格是文化完美主義者的象征,一位十分内向的高人。[7]
抱有類似看法的人不一定是楊振甯那樣的大科學家,美國物理學會發行的普及刊物《今日物理》上,發表過一篇題為《玩笑大王費曼》 (Feynman the joker,注意joker這個詞既可以是撲克中的王牌,也可以是小醜) 的文章,作者在文末寫道:“費曼的魅力和才華隻是他個性的一方面。他自己的著作,以及那些認識他的人的叙述,揭示了一個才高氣傲的人有可能會轉向自我陶醉和虐待他人 (self-absorption and the mistreatment of others) ,尤其是對那些他認為在智力上有很大差距的人。即使那些欽佩費曼智力天賦的人,也可能會被他的古怪行為所激怒。當這種情況發生時,一些重要的職業和人事關系就會搞砸。費曼的遺産提醒我們,在物理學方面獲得樂趣當然是很重要的,但要确保周圍的人也能獲得樂趣。” [8]
對于普通人來說,費曼幾乎是神一般的存在,他那本《别鬧了,費曼先生》,在中國讀者中間赢得了大量擁趸。這個惹眼的書名是曾供職于台灣大學物理系的吳程遠轉譯的,原名 Surely You Are Joking, Mr. Feynman,直譯 “你肯定在開玩笑,費曼先生”,實際上也是書中一個章節的小标題和哏,來自費曼在普林斯頓大學研究生院迎新茶會上的一次有趣經曆:當院長夫人倒了茶後問他要加牛奶還是檸檬時,費曼回答說兩者都要。這顯然是一個可笑的社交錯誤,費曼記住了院長夫人與他對話時的笑聲—— “嘻嘻嘻” “嘻嘻嘻嘻嘻”,書中數度重複,像是自嘲,更像是調侃女主人。類似的搞笑橋段,書中還有很多。
為這本書寫書評的人很多,足見它在公衆中的影響。一位叫高瑞利克 (Boris Gorelik) 的數據分析師對費曼的多才多藝表示欽佩,也對他的自負與炫耀作了辯護。
他寫道:“誠然,費曼從不錯過任何一個自我吹噓的機會,并強調他的許多成就幾乎都是不經意間 (almost by accident) 得到的。時而他會提到許多在特定領域比他厲害的人。我稱這種模式為自負式的謙虛 (pattern a self-bragging modesty) ,這正是許多成功人士的典型模式。然而,考慮到他所有的成就,我認為費曼應該有自我炫耀的權利。為自己的成就感到自豪并不是傲慢,而是一件很自然的事。《别鬧了,費曼先生》讀起來很有趣,内容豐 富并鼓舞人心。我認為每個自認為是科學家或希望成為科學家的人都應該讀這本書。” [9]
“曾經,我們都是費曼” (張雙南:《别逗了,費曼先生》導讀,《高山科學經典》讀書會2022年第3期,中國科學院高能物理研究所2022年5月12日發布) ,這一富有哲理的話出自一位中國物理學家之口,此事本身就很有趣。費曼在日常生活與社交場合不拘小節、嬉笑頑耍的作風,令從小被教導慎言謹行的國人歎為觀止,每個聰明淘氣的小孩子心中都藏着一個小精靈,那一套《費曼物理學講義》更被衆多學習物理的中國年輕人奉為經典。
不過說到底,費曼畢竟是個異數,他的聰明、輕狂與表演天才是任何人也學不來的。

原刊于《科學文化評論》2022年19卷2期,感謝方在慶研究員提供資料和寶貴建議。
注釋:

注1: 實際上是1956年4月3-7日召開的關于高能粒子物理的第六次羅徹斯特會議,會議記錄上提到費曼代表布洛克提出的問題。會議的完整記錄見High Energy Nuclear Physics:Proceedings of Sixth Annual Rochester Conference, New York, April 3-7, 1956.

注2: 事實上,那是會議的最後一天,楊振甯先做了一個導引性的報告,提到對“θ-τ之謎”目前最好是保持一種開放的想法。楊振甯的報告中譯文見張奠宙編《楊振甯文集》上冊(華東師範大學出版社,1998),39-52。另一本楊振甯傳記對與會者有關這一問題的興趣和各種不同意見作了簡要叙述,參閱楊建邺著《楊振甯傳》增訂版(三聯書店,2012),190。楊振甯報告之後,又有多人發言,特别是蓋爾曼也作了一個長篇報告,介紹自己關于宇稱雙重态的新想法。根據趙天池,蓋爾曼的理論“引起一系列批評。于是楊振甯在這裡評論道:’我們對τ、θ的雙重态現象了解太少,應該容忍新想法。’楊振甯的這句話給了費曼提問的機會。”參閱趙天池著《天語物道:李政道評傳》(中國計劃出版社,2017),277。對此過程費曼書中完全沒有提,卻給人一種當時已有先見之明而奧本海默非常看重他的印象。

注3: 從前後文來看,這裡指的應該是1957年4月15-19日舉行的第七屆羅徹斯特會議。會議的第七專題“弱相互作用”由楊振甯主持,李政道做了題為“弱相互作用”的主題綜述報告。參見[3]趙天池,2017,342。

注4:這裡沒有提是哪篇論文,按後文推測就是直接導緻李、楊獲得1957年諾貝爾物理學獎的Question of parity conservation, The Physical Review, Oct.1, 1956.

注5:蓋爾曼(Murray Gell-Mann, 1929-2019),1969年諾貝爾物理學獎獲得者,粒子物理奇異數守恒定律和強作用SU(3)理論的提出者,“誇克”(quark)一詞也是他首先引用的。

注6: 這裡指的是由費曼和蓋爾曼、馬沙克(Robert Marshak,1916-1992)和蘇達山(George Sudarshan,1931-2018),以及日裔美國人櫻井純(Jun Sakurai,1933-1982)于1958年同時提出的弱相互作用的費米普适形式V-A理論,其中V代表矢量流,A代表軸矢量流(S指标量,T指張量),V與A在空間反射變換下符号變化剛好相反,這一理論的提出為弱電統一理論的發展開辟了道路。

注7: 寫到這裡費曼用括号加了一個注,說“當然那不全對,可是後來才發現葛爾曼、蘇打山以及馬夏(沙)克等人也推演出同樣的理論,并沒有破壞我的樂趣。”

注8:1956年費曼與第二任妻子離婚,1960年第三次婚姻,此時是單身。

注9:數年後,華裔物理學家吳健雄(1912-1997)及其兩位學生完成的實驗完美地證實了費曼與蓋爾曼提出的矢量流守恒假設與“弱磁”的存在。

注10: 緻謝詞的原文是:The authors have profited by conversations with F. Boehm, A. H. Wapstra, and B. Stech. One of us [M.G.M.] would like to thank R. E. Marshak and E. C. G. Sudarshan for valuable discussions.

注11:施溫格(Julian Schwinger,1918-1994),因在量子電動力學方面的傑出貢獻,1965年與費曼、朝永振一郎[1906-1979]共獲諾貝爾物理學獎。

注12:格拉肖(Sheldon Glashow,1932-),1979年諾貝爾物理學獎獲得者,“粒子物理标準模型” 奠基人之一,當時是施溫格在哈佛的博士生。

注13: 卡比勃(Nicola Cabibbo,1935-2010),意大利理論物理學家,曾任意大利國家核物理研究院院長和教宗科學院院長,完善了弱作用普适假說,提出有關下誇克與奇異誇克之間卡比勃角的概念。

注14: 原文是:I wish I had not caused you and Sudarshan such discomfort. At any opportunity I shall try to set the record straight—but nobody believes me when I am serious. See [9]Mehra,1994,477-478.

注15: 戴森(Freeman Dyson,1923-2020),英國出生的美國理論物理學家,為量子電動力學作出了卓越的貢獻,也是傑出的科普作家,數次與諾貝爾物理學獎擦肩。

參考文獻:下滑動可浏覽)

1.費曼著/吳程遠譯. 别鬧了,費曼先生. 北京:三聯書店,1997. 2. 約翰遜著/朱允倫等譯. 奇異之美:蓋爾曼傳. 上海:上海科技教育出版社,2002. 3. Feynman, R. P. & Gell-Mann, M. Theory of Fermi interaction. ThePhysical Review, 1958, 109: 193-198. Received 16 September 1957/Published 1 January 1958. 4. Sudarshan, E. C. G. & Marshak, R. E. Chirality invariation and the universal Fermi interaction. ThePhysical Review, 1958, 109: 1860-1862. Received 10 January 1958/Published 1 March 1958. 5. Mehra J.The beat of a different drum: the life and science of Richard Feynman,Oxford:Clarendon Press,1994. 6. 季理真/王麗萍編著. 百年科學往事——楊振甯訪談錄. 上海:華東師範大學出版, 2021. 7. 楊振甯著/張奠宙譯. 施溫格. 楊振甯文集(下). 上海:華東師範大學出版,1998. 820-824. 8. Baldwin, M. Feynman the joker. Physics Today. 11 May 2018. 9. Gorelik, B. On “Surely You are Joking, Mr. Feynman!”. /2018/02/15/never-read-reviews-before-reading-a-book-except-for-this-one-on-surely-youre-joking-mr-feynman/
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