理查德·费曼传(比尔盖茨、乔布斯的偶像,诺贝尔物理学奖得主费曼的传奇一生)

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——理查德·费曼,1947年回忆儿时,人们往往很难分辨某段记忆究竟是真实发生过,还是只是想象。 P5

但到了第二天,我的老师问我是否听说过反物质,接着又告诉我那本书的作者费曼,刚刚因为阐释了反粒子可以被看作正常粒子沿时间轴反向运动而获得了诺贝尔奖。 P6

现在我只想说,我真希望我的经历也能带来和费曼的少年往事一样意义重大的结果。 P7

在加州理工学院举行的一次学术讨论会上做报告时,我又遇到了费曼,他坐在听众席里,让我略感紧张。 P8

按照原本的计划,她将在太空中为学生授课。 P9

(很多人可能意识不到,科学家其实很少去挖掘自己所在领域的早期文献,尤其是那些几十年前的老文献。 P10

如果我能够做到这一点,将有助于读者理解现代物理学的一些核心内容,以及费曼在改变我们的世界图景中所起到的作用。 P11

他有一位尽职的父亲,经常和他一起玩智力游戏,循循善诱地让小费曼逐渐爱上了学习,激发他与生俱来的好奇心,并尽可能地拓宽其视野。 P13

成就其伟大的第一个迹象或许就是费曼不倦的耐心,他可以专注于一个问题几个小时之久,而这种孜孜以求的态度甚至让他的父母有所担忧。 P14

结果可想而知,当实验人员回到实验设备前重新进行观察时,他们看到了那一道闪光。 P15

这两个答案都没有引起费曼的共鸣,他认为数学不适合自己,因此转到了电气工程专业。 P16

爱因斯坦提出了关于自然界的全新理论,而费曼则是从全新的角度探索了一些已知的观点,而这些新角度往往伴随或导致了更多的理论成果的产生。 P17

费曼需要全面理解他遇到的每一个问题,从头开始,用他自己的方式,通过多种方法去解决它。 P18

费曼也许是在大学第一年接近尾声的时候才做出了转修物理的决定,但当他还在读高中时,一切早有铺垫。 P19

光从一种介质(如空气)传播到另一种介质(如水)中时,它的传播方向会发生改变,这就是折射现象。 P20

毕竟,任何粒子在进入密度更高的介质之后,其运动理应受到更大的阻力,正如行驶在路上的汽车在进入交通拥堵区域会减速行驶一样。 P21

当然,光也不能在低密度介质中过分地逗留,否则光因多走的距离而浪费的时间将超过因速度优势而节省的时间。 P22

费马最短时间原理其实是物理学一个更显著性质的绝佳例子,这一性质从核心上指明了一个令人吃惊的先验事实,即自然是可以通过数学去理解的。 P23

这是因为根据不同的物理思想,我们在试图理解未知事物时提出的可能修正的类型也不同。 P24

’说完他向我讲述了一些极具吸引力的东西,从那以后,我一直沉迷其中……他告诉我的就是最小作用量原理。 P25

如果这一原理看起来有点儿神秘和抽象,那是因为它确实如此。 P26

然而在费曼看来,这两种表述在数学上是等价的,尽管它们在“心理上”迥然有别。 P27

[电子书分 享微 信getvip365]在一些重要关头,费曼发现自己又回到了最初激发他学习物理学的最小作用量原理。 P28

随着互联网的兴起,他的著作、演讲、采访得以更广泛地流传。 P29

他在加州理工学院为大一新生讲授的物理学入门课程被整理成《费曼物理学讲义》,影响力经久不衰。 P30

如果你要读一本书,我这里非常高兴地向大家推荐这本费曼传记,原名为“Quantum Man”(“量子人”的意思)。 P31

如果一个想法看起来还不错,我会说它看起来还不错。 P32

这并不奇怪,因为仅仅10年之前,杰出的理论物理学家保罗·狄拉克(Paul Dirac)已经证明了“克莱因–戈登方程”并不适用于描述相对论电子,狄拉克也因推导出正确的方程而获得了诺贝尔奖。 P33

然而校方否决了这个建议,于是费曼继续他的研究工作,并在大四这一年在业内颇负盛名的《物理评论》(Physical Review)杂志上发表了一篇有关分子的量子力学的论文,还发表了另一篇与宇宙射线有关的论文。 P34

因为对很多人来说,将整个学术生涯投身于同一家研究机构,可能会带来一些局限性。 P35

这对费曼而言是一种幸运,因为惠勒的想象力恰与费曼的数学天资相得益彰。 P36

伟大的物理学家则像猎犬一样聚焦在这种矛盾体上,因为他们知道真正的猎物就在那里。 P37

与此同时,一些问题的答案依旧扑朔迷离,电子的自能就是其中之一。 P38

简而言之,电子同时处于两种自旋状态!我们怎么知道电子处于两态之一的想法是“不正确”的呢?事实证明,我们可以进行实验,实验结果取决于未被测量时的电子状态。 P39

至此一切顺利,然而接下来由量子力学产生的麻烦来了。 P40

如果我们在很短的时间内测量一个粒子或者原子的量子力学状态,那么对该粒子或原子的能量测量就会产生很大的不确定性。 P41

但是,量子力学的一个重要的新特性在于,它要求我们将辐射看成是由一个个量子,即被称为“光子”的能量包组成的。 P42

因此,现在当我们想象一个移动中的电子时,我们必须把它想成一个非常复杂的,被虚粒子环抱的物体。 P43

因为对于一般人,尤其是第二次世界大战之前的人们而言,这一物理图景看起来就是如此复杂且难以描绘的。 P44

他假想,如果我们所说的由粒子间虚光子的交换而引起的电磁场从根本上就不存在,将会怎样?也许整个电磁效应都是由带电粒子间直接的相互作用引起的,根本不需要场的存在呢?在经典理论里,电场和磁场完全是由带电粒子的运动造成的,所以费曼觉得场本身也是冗余的。 P45

用当时他的一位普林斯顿同事的话说:“在惠勒谦逊礼貌的外表之下,隐藏着一颗林中之虎一般的心……他勇于去触碰任何疯狂棘手的物理问题。 P46

众所周知,加速一个带电粒子需要做的功比加速一个电中性的粒子更多,因为在加速过程中,带电粒子会释放辐射并消耗能量。 P47

他们进行了各种尝试,来检验他们是否可以在不引入新问题的前提下解决已有问题。 P48

费曼拥有出众的数学才华和良好的物理直觉,而惠勒则有着丰富的经验和敏锐的洞察力。 P49

理查德在研究生院开始与约翰·阿奇博尔德·惠勒共同工作之后,梅尔维尔长途跋涉到普林斯顿大学,想要再次确认理查德的学习进展和他的学术前景。 P50

惠勒的孩子们一直都很喜欢费曼来他们家做客,因为这位客人常常用各种花样逗他们发笑。 P51

而除此之外,惠勒想要发展一个更为疯狂的想法,来解释在宇宙射线中发现的新粒子,并最终借此解释在核物理实验中发现的新粒子:也许所有的基本粒子都是由电子的不同组合构成的,基本粒子内部这些电子间的相互作用与基本粒子外部电子间的相互作用不同。 P52

不过,这些人并非普通的物理系同事,这场会议的组织者是后来的诺贝尔奖获得者尤金·维格纳,一些特殊人物也得到了邀请,其中包括著名数学家约翰·冯·诺伊曼(John von Neumann),以及从苏黎世大学来此访学的令人敬畏的诺贝尔奖获得者、量子力学的发展人之一沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)。 P53

泡利询问爱因斯坦:如果人们摒弃了“场”这一用来传输力和信息的概念,是否会与他在广义相对论上的工作相抵触?有趣的是,爱因斯坦谦逊地回答说,可能会有矛盾的地方,但毕竟他自己的引力理论(物理学界将此理论视为自牛顿以来最重要的一项成就)“还不是很成熟”。 P54

后来,在1965年,物理学家们惊讶地发现,某些基本粒子的微观过程确实与时间指向相关,也就是说,一个过程的速度与在时间轴上反向进行的同一过程的速度略有不同。 P55

如果所有科学思想刚被提出时就完全正确,推进科学前沿将会易如反掌。 P56

这个女孩就是阿琳·戈林鲍姆(Arline Greenbaum),早在高中时代便出现在费曼的生活中。 P57

我之所以要在这本科学传记中提及阿琳,不仅因为她是费曼的初恋——也许还是一生至爱,还因为她的精神支持在费曼不断前行、独辟蹊径以及打破传统的过程中不可或缺,在科学研究方面如此,在生活的其他方面也是如此。 P58

费曼的著名自传题为《你干吗在乎别人怎么想?》(What Do You Care What Other People Think?),这正是阿琳在费曼犹豫不决、惊慌失措时经常重复的一句话。 P59

这在我心目中的分量,甚至超过我对阿琳的爱。 P60

1945年6月16日,距离理查德参与制造的原子弹在广岛爆炸还有6个星期,阿琳在这个忧郁的日子里与世长辞。 P61

这一问题来自粒子之间在不同时间发生的各种相互作用,或者正如费曼后来所说:“某一粒子在某一时刻的路径会受到另一粒子在另一时刻的路径的影响。 P62

你或许还记得,费曼在高中就学到了运动定律的一种表达形式,这个形式并不是基于物体在某一时刻的状态,而是基于物体在所有时刻的状态。 P63

物理,或者至少是费曼和惠勒想象中的物理,已将费曼带到了他在6年前完全意想不到的境地!在勤勉、深入地探索了他和惠勒二人的新理论之后,费曼的思想发生了惊人的转变。 P64

我们已经了解到,在量子力学效应显著的小尺度上,粒子可以在同一时刻出现在不同的地方,也可以同时在不同的地方处于不同的状态。 P65

马克斯·玻恩(Max Born)随后指出,如果自身像波的波函数所描述的不是粒子本身,而是某一时刻在空间中任何给定位置找到该粒子的概率,那么波函数就可以用来描述粒子。 P66

这一事实是量子力学一切古怪之处的源头,因为它解释了为什么粒子的行为恰如波一样。 P67

然而,如果我们考虑两个粒子都存在的情况,则在位置x发现其中任一粒子的概率为[(1/2)+ (–1/2)]2=0!实际上,这种表面上看似荒谬的现象在波的世界里是十分常见的。 P68

我们发现一个电子的确可以与自己干涉,因为电子可以在同一时刻在很多不同的地方具有非零的出现概率。 P69

而根据此原理,光通过那条所需时间最短的路径的概率是100%,通过任何其他路径的概率是零问题在于,在量子力学中,事情变得完全不一样了。 P70

由于在求和中的某些项可能为负值,我们曾在第2章中讨论过的电子打到闪烁屏上时发生的那种疯狂的量子行为可能就会发生。 P71

在那里,理查德遇到了当时正在访问普林斯顿的欧洲物理学家赫伯特·耶勒(Herbert Jehle),并被对方问及当时的工作重点。 P73

费曼就是费曼,他当即决定演算一些简单的例子,来验证狄拉克所说的相似性是否存在。 P74

至于狄拉克为什么没有进一步检验这些想法是否能够实现,我们可能永远也找不到答案。 P75

狄拉克是与玻尔同样著名的物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)从英国派去的博士后研究员,然而狄拉克“太过安静”,玻尔显然对此有些抱怨。 P76

在普林斯顿图书馆的那个早晨,在耶勒惊讶的注目之下,当费曼用一个简单的例子来验证这种想法时,他发现,如果他试图用上述方式计算极短时间过程中产生的各个概率振幅,他将得到与经典量子力学的薛定谔方程一样的结果。 P77

费曼进一步采取的量子化处理就是对不同路径的概率振幅所对应的权重求和,而这个和的平方将决定从a点经时间t后到c点的跃迁概率。 P78

对费曼而言,最令人兴奋的是他已经拥有了一种探索更复杂物理体系的量子力学机制,比如他与惠勒共同构筑的电动力学系统,传统方法无法对这一系统进行描述。 P79

没关系,图总会有的。 P80

/ 这使费曼陷入了严重的两难境地。 P81

即便如此,他还是花了一段时间去适应。 P82

他和维格纳认为费曼的工作已接近尾声,可以整理成文,他也把这种感觉直截了当地告诉了费曼。 P83

那“测量”又是如何确保深层量子宇宙最终被我们的眼睛所感知呢?第一个尝试在量子力学的框架里对测量问题进行综合、定量讨论的人是普林斯顿大学的约翰·冯·诺伊曼,费曼与他有过交流并反对过他的观点。 P84

这种相关最终把小的量子力学体系限定在一个明确的状态,这个状态就是我们“测量”到的状态。 P85

他生动地写道:如果说我们不能精确地看到单原子很多方面的性质,那我们应该期望什么样的结果?事实上,我们看到的是什么?我的建议:只有那些可以和无限数量的原子相关联(且概率是有限值)的单原子性质是可以(通过各种实验手段)测量的。 P86

这一物理思想实际上非常简单直接。 P87

也许正是这些令人分心的事情,使他在对惠勒教授的建议和鼓励表达感谢之余(他与惠勒的合作也基本上就此结束),始终未能想起,他论文的主题(这项研究最终使他赢得了诺贝尔奖),与高中时期那个命定的下午,物理老师巴德先生唤醒他对理论物理学微妙之美的感知的瞬间,存在着一种诗意的关联。 P88

彼时的他是一位相对天真却志存高远的年轻人。 P90

在他们举行婚礼那天,理查德从朋友处借了一辆旅行车,并在车里加了一个床垫,以便阿琳可以躺下来。 P91

而奥本海默不久后即被选为整个原子弹项目的负责人。 P92

1943年3月底,在奥本海默的竭力劝说之下,费曼成了首批抵达新墨西哥州的科学家之一。 P93

我仅仅是他所招募的众人中的一个,但他一贯如此,对所有人的个人问题都极尽关照。 P94

与总结出新的定律以推进物理学前沿相比,这里的工作更容易,但也远比处理纯粹的氢原子单电子问题要更烦琐。 P95

我们聊了起来,很明显,他是个非常聪明的人。 P96

19世纪晚些时候,两位著名物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹(Hermann von Helmholtz)和开尔文勋爵(Lord Kelvin)猜测,太阳可能是以引力收缩所释放的能量为动力的,这种方式的能源大约可以支持太阳燃烧一亿年左右。 P97

贝特撰写了这一领域的一系列重量级综述文章,而费曼在本科阶段就对这些文章进行了研读。 P98

奥本海默在1942年招募了贝特,并十分明智地将其选为理论分部的负责人,该部门聚集了洛斯阿拉莫斯最为聪明同时又最为自我的人。 P99

毋庸置疑,这一点对于费曼后来作为科学家而做的每一件事都有深远影响。 P100

1945年7月16日日出之前,人类历史上首枚核弹在沙漠中被成功引爆,试验代号为“三位一体”(Trinity)。 P101

他在开锁、修理马钱特–门罗计算器、组装IBM计算机、解谜及解决物理难题、提出新的计算方法、向实验物理学家解释理论和向理论物理学家解释实验等方面的天赋,令所有接触过他的人都钦佩不已。 P102

费曼给医生写信,探索并咨询肺结核的新疗法,并把阿琳转至洛斯阿拉莫斯,以免除异地之苦。 P103

对于像我一样成长于大科学和大型官僚系统时代的人来说,曼哈顿计划实施过程中的各种挑战极限的工作强度和速度是不可思议的。 P104

每个看到爆炸的人都心生敬畏,但原因各不相同。 P105

1945年10月,理查德·费曼离开了洛斯阿拉莫斯,成为物理学界一颗耀眼的新星。 P106

不到一年,费曼就接到了普林斯顿高等研究院、普林斯顿大学和加州大学洛杉矶分校等机构永久职位的工作邀约,但全都被费曼拒绝了,他决定留在贝特的团队里。 P107

在经历了极富成效的战争年代之后,没有了战时那些亟待解决的实际问题和必须立刻付诸实际检验的计算结果,要重新思索那些进展更慢且烦冗抽象的问题,费曼一定倍感艰难。 P108

他在研究生时期的工作主要是对研究性课题进行深入的探索,在洛斯阿拉莫斯又做了些别的,而新教员生涯伊始的种种琐碎之事扑面而来,足可令对此毫无准备的新教员们手足无措。 P109

一个人的自我认知与外界评价不同,将使人意志消沉。 P110

(贝特后来说,当他得知费曼抑郁的时候,他觉得费曼的抑郁相比康奈尔的其他人来说并不明显:“即使抑郁,费曼也比其他人兴高采烈时还要开心一些。 P111

战争结束后,当费曼重新开始审视这些问题的时候,他首先聚焦于看起来比较简单的任务:完善他在1942年获得博士学位时的论文,这篇论文尚未正式发表于学术刊物上。 P112

”这个故事逐渐发酵,在物理学家弗里曼·戴森在回忆录中提及这段往事的表述中,穆莱卡在其中所起的作用更为关键,做法也更为极端:“她让费曼进入她的房子,把费曼关在了一间屋子里并禁止费曼出去,直到他写出论文为止。 P113

他在给特德·韦尔顿的一封信中这样写道:“希望对某一图像进行微小的改动就可以理顺一些现存的问题……的确,我们只需要进行计算,但是图像显然是一种便捷的方式,绘制图像也不算是做什么错事。 P114

这一性质最终解释了固体物质存在的原因及其行为方式。 P115

随后,意大利物理学家恩里科·费米探索了由很多自旋为1/2的全同粒子(比如电子)构成的体系的统计学行为,结果表明这些多粒子态的行为受到不相容原理的强烈支配。 P116

于是一个数学家转头对另一个数学家说:“如果再有一个人进入这幢大楼,楼里就没有人了。 P117

尤其是,按狄拉克的话来说,在他的新理论里,“即使没有外加电磁场,电子的能量也可能从正值变化为负值,即发生跃迁,这些多出的能量至少为2mc2,会以辐射的方式自发发射”。 P118

提出充满负能量粒子的无限“粒子海”概念,这一设想体现出了狄拉克在智识上的莫大勇气,然而将粒子海中的“空穴”认作质子,这对狄拉克而言是罕有的智慧上的怯懦。 P119

最终,连狄拉克也被迫承认,他的理论预测了自然界中存在一种新粒子,他称之为“反电子”(anti-electron)。 P120

最终,到1933年年底,即使是这些实验学者也不得不承认,如果一个动物“走起来像鸭子,叫起来像鸭子,它可能就是一只鸭子”。 P121

当理查德·费曼再次将注意力转向量子电动力学的时候,他已经因为在工作、恋爱及职业互动中对社会规则的蔑视而闻名。 P122

”这样的私情也许令费曼感到空虚,却仍在继续。 P123

费曼的魅力不难理解。 P124

尽管理论预测的单个电子与单个光子的作用,或单个电子与经典的电磁理论中的光波或无线电波的作用与观察值惊人地吻合,但每当物理学家试图通过多种量子作用来超越这个最简单的近似,或者企图解决长期存在的电子与自身相互作用的问题(费曼在研究生院试图解决的第一个问题)时,他们得到的答案仍然趋向无穷大,这在物理学上解释不通。 P125

”海森堡在1935年写给泡利的回信中说:“关于QED……我们知道已知的一切理论都是错误的。 P126

然而这种转变存在一定的限制条件。 P127

而真空中一个光子暂时分裂为一个带负电的电子和它带正电的反粒子(正电子)的瞬间,发生的也是同样的事情。 P128

事实证明,要解决所有困难,既不应完全抛弃量子力学,也不应摒弃所有虚粒子,而是要更加深入地理解如何在相对论的框架内实现量子力学的基本原理。 P129

每次一个电子从向右运动“转身”为向左运动时,该路径的概率振幅就乘以一个“相位因子”(在这种情况下,“相位因子”是一个复数,一个包括–1的平方根的奇异数字),这样,费曼就能推导出适合这样一个二维世界的狄拉克方程的简化版本。 P130

然而,费曼的时空图像却恰好使理论中的相对论不变性得以彰显。 P131

但是我发现,除非实验科学家在新的水平上对理论进行了探究并得出了具体结果,否则理论科学家很难严肃地对待他们自己的那些想法,也就很难去严格地探索理论的所有分支,或是为现有问题提出切实可行的解决方案。 P132

后来,薛定谔通过他著名的波动方程表明,氢能级可以通过他的波动力学准确导出,而不必像玻尔的原子理论那样进行限定。 P133

总角动量是电子的自旋角动量及轨道角动量之和,两个量子态中构成总角动量的每一部分可以不同。 P134

于是在绝望中,我直接测量了对角线——看,它大约是7英尺左右——既不是无穷,也不是零。 P135

令费曼感到大为惊讶和满足的是,贝特声称虽然他还没有完全理解如何处理伴随QED的奇怪的无穷量,但他已经理解了兰姆观察到的频率位移(当时已经被命名为“兰姆位移”)的大小和源头。 P136

贝特的努力方向是建立在奥本海默、物理学家H. A. 克拉默斯(H. A. Kramers)以及维克托·魏斯科普夫(Victor Weisskopf)的想法之上的。 P137

在这种情况下,只要把所有的结果用有限的观测质量来表示所有实验结果,以移除该无穷量,那么所有的计算都可能得到有限解。 P138

后来,贝特以此为题在康奈尔做了一次报告,并指出如果可以对理论中的高阶贡献进行全相对论式的处理,或许不仅可以得到更加准确的结果,而且可以证明这一结果与他所采取的特定计算过程是一致的。 P139

最终的结果是,他们当时得到的答案非但不是有限的,而且那个无穷量甚至比在非相对论计算中得到的还要糟糕,使得从其中分离出有限量变得更加困难了。 P140

由于电子的行为仿佛是在旋转,并且电子带电,所以电磁学告诉我们,电子的行为应该像一个微小的磁体,其磁场强度应该与该电子自旋的大小相关。 P141

在这个过程中,他运用了自己超强的数学技巧,以及在重新表述量子力学的过程中所培养出的直觉,逐渐发展出一种描绘QED中所涉及现象的全新途径。 P142

这就意味着我们可以认为电磁场的涨落产生了无限多的暂时存在的虚光子。 P143

但是在普通物质中检测不到正电子。 P144

但是狭义相对论告诉我们,如果虚光子超光速运动,那么在某种参考系内,虚光子可能看起来就像在沿时间轴做反向运动。 P146

费曼使用了一个著名的比喻,是关于轰炸机上的一名投弹手俯瞰其视域内的一条道路的情形(刚刚结束的世界大战无疑对费曼在类比物的选择上产生了影响):“这就好像是低空飞行的飞机上,一名投弹手正透过瞄准器观察地面上的一条路,他突然看到了三条路,直到其中的两条合二为一并且消失时,投弹手才意识到他仅仅是经过了一段长距离的‘之’字形转弯。 P148

物理学规律迫使费曼重现了量子场论的物理内容。 P149

可是图10看起来并不是自然而然的,因为这不是由一个电子在时空上正向或反向运动以及相互作用的轨迹导致的——费曼觉得唯有这些轨迹适合纳入他的计算。 P150

正如克拉默斯和其他人曾经预测的那样,其中的关键在于让改变之后的圈的贡献有限,或者按后来的说法,用一种与相对论一致的方式将这些圈“重正化”。 P151

他凭直觉推测出方程中各种由于电子–正电子圈的改变而产生的额外项可能是非物理的,从而推导出定量意义上的准确结果;因为这些额外项并不遵从QED在数学上的精细要求,所以完全可以忽略。 P152

实际上,这种状态并不鲜见。 P153

此外,施温格也如费曼一般,被自我超越的意识和内心认定要做的事情强烈地驱使着。 P154

俗话说,‘博士论文是由教授在特殊的磨炼下完成的研究工作’,在我看来这真是至理名言。 P155

费曼在施温格做完报告之后站了起来,宣布他也算出了与施温格相同的物理量,而且实际上在异常磁矩的计算中得到了更普遍的结果。 P156

然而,在贝特的建议下,费曼强调了其时空求和方式的数学方面,而不是物理方面。 P157

而且事实上,玻尔的儿子事后还向费曼致歉,说他的父亲误解了费曼。 P158

费曼意识到自己的路径求和方法是正确的。 P159

所有人都告诉他应该去康奈尔大学的贝特研究组。 P160

”在此期间,戴森保持着与费曼的互动,通过黑板上的演算和推导了解了费曼的研究进展。 P161

这项工作在物理学家们心理上的影响是深远的。 P162

至此,QED终于可以跻身于最高科学意义上的“理论”之列,作为一种逻辑上自洽的表述形式,它可以做出独特的理论预测,这些预测可以与实验结果进行比较,并已经成功地得到了证实。 P163

他在后来说道:“有些物理图景正在被到处宣扬,在某种程度上,这种传播方式颇似耶稣信徒以希腊逻辑把希伯来神介绍给外邦人。 P164

这实际上是一种借助最少的假设建立一整套理论的方法,除了费曼的非凡直觉之外,几乎没有什么基本依据。 P165

当时,基本上美国所有活跃在研究领域的物理学家都会聚在纽约的一家大型酒店里,因而这场在1月举行的会议或许已经成了世界上最重要的物理学会议。 P166

斯洛特尼克在会议期间展示了他的工作。 P167

就在那一刻,我真正意识到我应该去发表自己的研究成果——我已经走在世界前端了……斯洛特尼克告诉我他花费了两年时间做到这一切的那一刻,就是我获得‘诺贝尔奖’的时刻。 P168

接下来,随着费曼对风行一时的介子理论认识程度的加深,他能够用自己的图示规则来表述这些理论,并快速重现其他物理学家花费几年才能得到的结果。 P169

但是对于在相对运动中的不同观察者们而言,现在的瞬间是不同的,并且对应了时空中不同的三维剖面……放弃哈密顿方法,相对论与量子力学的结合就能自然而然地实现。 P170

他内心真正希望的是路径积分能为我们对自然界的基本理解带来启示,并且这些启示可以消除相对论量子物理学的弊端,但他感到这一目标仍然没有实现。 P171

因此我们对每一种观点都可以坚守己见。 P172

他已经取得了一些令人瞩目的成就,尽管他本人并没有认识到这些成就的全部价值。 P173

费曼总是在寻找新的问题和新的智力挑战,这一思维偏好在他的个人生活中也有所体现。 P174

这都要归功于一位科帕卡瓦纳美人——一位名叫克洛蒂尔德的姑娘,费曼还说服她陪自己回美国小住了一段时间。 P175

在巴西那种相对隔离的状态下,即使费曼才智过人,他也无法跟上当时研究领域的前沿。 P176

他毫不掩藏的澎湃热忱,想必也感染了身边的每一个人——物理学家、里约本地人,当然包括女人。 P177

两人于1952年结婚。 P178

就在费曼的个人生活遭逢剧变之时,物理学领域也经历了一段动荡时期。 P179

他开始探索极低温条件下(而不是极小尺度下)的量子世界。 P180

而同样值得注意的是,昂内斯很可能将液氦冷却到了变为超流体的温度,但是并没有对这一更为奇特的显著现象提出自己的看法。 P181

尽管超导性和超流性的问题还没有被解决,但已经有一些最杰出的物理学家投身于这一领域,并已在这些问题上进行了一番探索。 P182

事实上,在费曼开始研究这一问题之前,尚没有人尝试过在微观尺度下使用量子力学直接推导出液氦从正常状态向超流状态转变的一般性质。 P183

即使昂内斯把氦的温度降到了人们所能得到的最低温,即远低于1开尔文(绝对零度以上1度),氦也没有凝固。 P184

根据玻色和爱因斯坦的预测,在足够低的温度下,玻色子气体将凝聚为单一的宏观量子态,其中所有的粒子都处于完全相同的量子态,它们的宏观组态将表现为一个量子物体而非经典物体。 P185

从表面上看,这似乎只是一个无关物理的数学小手段,但事实证明,它对物理学产生了深远的影响。 P186

最终,费曼证明,路径总和贡献最多的轨迹,即作用量最小的轨迹,将是那些内部的每个粒子都像自由粒子般运动,只是质量略微增加的轨迹。 P187

他在1954年完成的论文里阐述了类似的观点。 P188

[1] 粒子物理学家用“粒子动物园”来表示当时已知的多种多样的基本粒子,以动物园中物种的多样性作为类比。 P189

然而,问题并未就此解决。 P190

通过实验来归纳出微观物理学性质并不同于解释自然界何以产生这些性质,而后者才是费曼为自己制定且在很大程度上已经实现的目标。 P191

费曼希望在量子力学第一性原理的基础上,应用他的路径积分图来证明朗道猜想的正确性。 P192

但我们还是要问,为什么液体中不会有其他低能量态存在呢?别忘了,量子力学表明所有的粒子都可以被视为概率波,其中波的振幅与在不同位置发现粒子的概率相关。 P193

即使位移很大,由于最终的结果只是全同玻色子在(一个系统)内部的简单互换,所以这并不能代表一个新的量子组态。 P194

这些近似值比较粗糙,且最初与现有数据无法匹配,但在接下来的10年中,他改善了分析方法,并做出了与数据一致的预测。 P195

但是如果我们旋转装着流体的容器,以使整个流体旋转,会发生什么呢?费曼找到了解决这一问题的关键,而他不知道的是,此时诺贝尔奖得主、挪威裔美国化学家拉斯·昂萨格(Lars Onsager)也提出了一个相似的解决方案。 P196

这些涡线将会在整体上不旋转的流体中以均匀的密度自发分布。 P197

所有这些冥想都妙趣横生,但尤其重要的一点是,这些想法再一次改变了这个领域的物理学家对自己领域问题的思考方式。 P198

他们理解超导性的方法与费曼类似,即弄清楚在超导情况下,像电子(不属于玻色子)这样的粒子是如何形成类似“玻色–爱因斯坦”的凝聚形式的。 P199

此后,他在一次凝聚态物理学会议上见到了昂萨格。 P200

数不清的例子表明,费曼研究很多课题只是为了享受解开难题带来的满足感,他觉得没有必要将其写成论文,只为引起他人对自己想法的关注。 P201

狄拉克已经拥有了以自己名字命名的方程式,而费曼还没有。 P202

新的粒子不断被发现,一种比一种古怪。 P203

费米就是因为这套理论而获得了诺贝尔奖。 P204

费米去世后,费曼成为年轻理论物理学家们崇拜的对象。 P205

不过,盖尔曼在很多地方都与费曼完全不同。 P206

”费曼性格中爱出风头的一面则令盖尔曼难以接受。 P207

然而,盖尔曼和洛的论文给费曼留下了很深的印象。 P208

M. C. 埃舍尔(M. C. Escher)的艺术作品也是一个很好的例子,他在画作中嵌入了鱼或其他动物的许多形象。 P209

20世纪50年代早期,加速器中出现的大量新的基本粒子迫使物理学家在混乱的表象之下找出一些规律,因此利用自然界的对称性来约束或支配物理学基本定律的尝试变得更为普遍。 P210

但是由于这种力非常弱,所以粒子的衰变极为缓慢。 P211

为了解开粒子物理学前沿的最新谜团,他们二人会在办公室里争论不停。 P212

当他们开始一起工作时,另一个棘手的物理学问题出现了,这个问题在某种程度上同盖尔曼一直在分类的新的奇怪粒子有关。 P213

我们称这个量为“宇称”(parity)。 P214

至此一切顺利。 P215

在那里,他们了解到了一些有说服力的新数据,再次证明τ和θ可能是由同一粒子分裂而成的一对双胞胎。 P216

根据官方记录,杨振宁当时的回答是,他和他的同事李政道一直在研究这一问题,但是没有得出任何结论。 P217

他们将这个推论写成了一篇精彩的文章,发表于1956年夏天。 P218

用对此持怀疑态度的理论物理学家泡利的棒球类比[3]来说,上帝并不是一个“弱左撇子”[4],而是个“强左撇子”。 P219

这是费曼内心热切渴望的事情。 P220

而迄今为止,在我们所知的范围内,唯有这种难以捉摸且只参与弱相互作用的中微子,最大限度地违反了“镜面对称”:它们只沿一个方向旋转!在1957年的罗切斯特会议上,李政道在阐述他和杨振宁的研究工作时,间接提到了这一深层含义,并引起了费曼的关注。 P221

但令人费解的是,这些实验结果本身就是不确定的,而且与单独一种力的作用结果不符。 P222

作为罗切斯特会议的创始人,马沙克在学界很有名望,当时粒子物理学界的一些重大问题,如τ–θ问题和宇称不守恒问题,都在罗切斯特会议上得到了充分的讨论。 P223

马沙克和苏达山向盖尔曼解释说,他们觉得这些实验可能是错误的。 P224

如果这是真的,那么他用符合β衰变的包含两个参数的简单数学形式来描述中微子的想法就是正确的!他后来这样说道:“我在那一瞬间从椅子上迅速站了起来,并喃喃自语道:‘我全明白了!我全明白了!我明天早上就向你们解释这一切!’……当我这么说的时候,他们以为我是在开玩笑……但是我没有开玩笑,我所需要的正是从认为这是S和T的束缚中解脱出来,因为我有一个理论,如果V和A是可能的,那么V和A就是正确的,因为这样的理论简洁并且优美。 P225

“费曼–盖尔曼”论文带着一种有趣的混拼之风,但仍然不失为一篇杰作。 P226

”这篇论文作为当时粒子物理学领域最具创造力的两位科学家联手打造的杰作,也确实不负众望。 P227

——编者注[3] 棒球的击球队员有的偏好从右往左击球,有的偏好从左往右击球,通常这一选择与队员的惯用手是左手还是右手有关。 P228

现在,他可以陶醉于和盖尔曼一起成为聚光灯下的焦点,并尽情享受身处物理世界中心的乐趣。 P229

巴里什最近向我透露,他当时感觉自己很重要,并为此扬扬得意,直到有人告诉他,所有的组会费曼都会出席,而且总是喜欢提问。 P230

我记得的最著名的例子可能跟弗雷德·莱因斯(Fred Reines)有关,他在1956年首次通过实验证实了中微子的存在,并因此获得了1995年的诺贝尔物理学奖。 P231

而此时,他与另一位已婚女士的私情即将不体面地结束,这位女士的丈夫准备控告他,并向他索赔。 P232

经过一年多的耽搁,格温妮丝终于在1959年的夏天抵达了帕萨迪纳,帮助这位孤独的单身汉将其原本冷清的住所变成了一个可以称之为“家”的地方。 P233

为了解释一个令人费解的实验结果,他们两人想到可能存在两种不同类型的中微子,但费曼对此失去了兴趣,拒绝为此撰写论文。 P234

在桑兹的再次建议下,巴彻决定让费曼为大一新生讲授整个物理学入门课程。 P235

他不仅可以将自己对这个世界的个性化理解呈现给他人,还可以向别人展示是什么激起了他的探究之欲。 P236

我还认为,对于这样的学生来说,很重要的一点是指出哪些内容是他们应该能从以前讲过的内容中推导出来的,如果他们足够聪明的话,他们也将知道哪些内容是作为新知识被引入的。 P237

或许只有在加州理工学院这样的学校才会发生这样的事情:虽然很多学生无法通过他的考试,但是学院还是鼓励费曼继续讲授第二年的课程。 P238

”虽然加州理工学院的本科生作为“小白鼠”可能遭受了打击(桑兹对这一观点提出了异议,并认为大多数学生在某种程度上都有所进步),但《费曼物理学讲义》却成了任何想成为物理学家的人的必读书目。 P239

在关于这档节目的一封信中,他提到了他在大众传播方面的经验和他的理念:“有一种观点认为,电影工作者懂得如何呈现这些节目,因为他们在娱乐方面很在行,而科学家则不行。 P240

这一系列的6次讲座非常著名,其内容被汇编成了一本名为《物理定律的本性》的佳著。 P241

20世纪50年代,他被享有盛誉的美国国家科学院遴选为院士,对许多科学家来说,这是他们从同行那里所能获得的最高认可。 P242

他也喜欢这个奖项和其他荣誉带给他的声望,其中一个很重要的原因是,有了这些声望,他就可以更自由地去按照自己的意愿行事了。 P243

戴森本人对没有拿到诺贝尔奖一事不曾有过微词。 P244

在事业上,他不再只为眼前之乐而忙于物理学前沿的紧迫工作,而是开始向世界回馈他多年来思考自然所获得的智慧(尽管他从来不会说自己拥有了智慧)。 P245

除了夫妇二人的异国旅行,他还从事了两项活动,就其本性而言,这两件事可称得上是比较高尚了。 P246

日渐增长的名气激发了他性格中的另一种倾向,虽然他曾因此而获益,但从长远来看,如果不是因为这种倾向,他本可以在引领物理学的新发现方面取得更大的成就。 P247

费曼看重的正是这一点,且几乎痴迷于此。 P248

”费曼确实很成功。 P249

他对此感兴趣的理由很充分:第一,虽然迄今为止考虑过这个问题的人都还没有研究出量子引力理论,但此前,当其他人陷入困境时,他就已成功地发展出了自洽的电磁学量子理论,而且他认为他在QED方面的经验可能会在某处发挥作用;第二,长久以来,爱因斯坦的广义相对论都被视为继牛顿理论之后最伟大的科学发展,毕竟它是一种描述引力的新理论。 P250

为了解释从宇宙的动态变化到恒星燃尽核燃料的最后时刻的行为等现象,人们进行了大量的工作以找到广义相对论方程的数学解。 P251

1931年,勒梅特在《自然》杂志上发表了一篇著名的文章,概述了他的“原始原子”模型,该模型最终被称为“大爆炸”。 P252

这一半径现在被称为“施瓦西半径”。 P253

然而,到1958年,科学家们意识到,与施瓦西半径有关的明显的无穷大量是用于描述这个解的坐标系统的数学产物;当物体穿过这个半径时,不会发生任何不符合物理学定律的事。 P254

不知是不是人们被这一名称激起了兴致,在我们对小尺度和强场引力的理解方面,“黑洞”仍然是所有现代争议的中心。 P255

20世纪50年代中期,费曼开始认真思考这些问题,当时他刚刚完成了自己在QED方面的研究。 P256

可以想见,费曼对于这种陈腐的观点没有什么耐心,这与他对科学的所有信仰背道而驰。 P257

那么,正如我们可以先考虑经典理论,然后逐步加入小的量子修正来理解电磁作用的量子理论一样,我们也可以借鉴这一研究过程来探讨引力的问题。 P258

费曼的论断很引人注目:抛开一切几何学计算,以及那些似乎是广义相对论基础的关于空间和时间的迷人概念,如果我们考虑一个无质量粒子的交换行为(恰如传递电磁相互作用的无质量粒子光子),而且被考察的无质量粒子具有的量子化自旋为2,而不是像光子那样自旋为1,那么在经典极限下,由此产生的唯一自洽的理论就必然是爱因斯坦的广义相对论。 P259

进入我们眼睛的可见光,射向我们皮肤的太阳热量,传入我们收音机的无线电波,以及被应用于我们手机的微波,都是电磁波的不同形式。 P260

物理学家将这种分布发出的辐射称为四极辐射(quadrupole radiation)。 P261

对于想要理解引力本质的物理学家来说,黑洞可能仍然是最大的理论难题,同时也带来了最出人意料的发现。 P262

弦论及其发展。 P263

已有的一些有趣的数学结果或许可以帮助我们更深入地了解黑洞如何以热的方式辐射,这一过程看似丢失了信息,却仍然没有违背量子理论的核心原则。 P264

如果真是这样,弦论产生的就不是“万有理论”(theory of everthing),而是“任有理论”(theory of anything)。 P265

好吧,也许能有一种途径把6个维度卷曲起来。 P266

在空间发生强烈弯曲(引力场很强)的情况下,这个问题变得尤为重要。 P267

这一研究领域显然还处于起步阶段,尤其是缺乏对量子引力的定义明确的理解。 P268

费曼认为,少了这种比较,理论上的努力将是徒劳无益的。 P269

这一模型的创立者阿兰·古斯(Alan Guth)曾说过,在这种情形下,宇宙是“免费午餐”的终极例证!有趣的是,一个总引力能为零的宇宙在空间上是平直的。 P270

如果真空具有如费曼所论述的那么多的能量,那么万有引力将大到足以使地球爆炸。 P271

最令人兴奋的是,我们可能很快就能够通过已经发射的卫星(用于探测宇宙中的大尺度结构)来探测这样的背景了。 P272

这或许就是费曼带来的深远影响的最显著特征。 P273

——理查德·费曼1959年12月,美国物理学会在加州理工学院召开了年度会议,费曼在这次会议上做了一次演讲。 P274

同时,这次演讲也表明了他对物理学的两个领域的非凡可能性的痴迷。 P275

他认为这并不是问题。 P276

这是一条将量子宇宙与人类的经验宇宙融合在一起的途径,还有什么比这更令人兴奋的吗?重读他的演讲,我震惊于他非凡的先见之明。 P277

1965年,英特尔公司的联合创始人戈登·摩尔提出了一个“定律”,即计算机的速度和可用的存储空间每12个月就会翻一番。 P278

人类基因组的测序一直是生物学领域的圣杯,测定基因序列的能力正在提高,其速度已经远超计算机领域的摩尔定律。 P279

哈佛大学的生物学家乔治·丘奇(George Church)以及克雷格·文特尔(Craig Venter,他的私人公司协助完成了人类基因组的首次解码)等生物学家正努力应对这些挑战,而且文特尔的公司最近得到了埃克森美孚公司的6亿美元资助,用于开发能生产汽油的藻类的项目。 P280

同样,有三项诺贝尔奖被授予这方面的研究。 P281

我们能够以全新的方式进行制造。 P282

第二项用来奖励“第一个制造出能放进边长仅有1/64英寸的立方体(不计引线)的可运行的电动机(一种可以从外部进行控制的旋转电动机)的人”。 P283

费曼很早就对计算机和计算领域甚为着迷(麻省理工学院计算机科学家马文·明斯基曾用难以置信的口气说,费曼曾对他说自己对计算一向比对物理更感兴趣),或许在洛斯阿拉莫斯工作的几年里,这种兴趣就初次到达了顶峰。 P284

这不仅是一种游戏:在电子计算机出现之前,为了提高运算速度,人们不得不将复杂的运算拆解成若干部分;否则,每一项计算,对于任何一个人或者任何一台马钱特计算器来说都太复杂了。 P285

我希望计算机的计算单元缩小到亚微观尺度……如果我们想要制造一台具有所有这些令人惊叹的额外性能的电脑,我们也许只能把它造得像五角大楼那么大。 P286

费曼对于思考儿子所在的领域很感兴趣。 P287

(与此同时,他展示了如何充分利用他们的计算机去解决其他计算机难以求得数值解的物理问题,包括模拟基本粒子物理系统的组态等问题。 P288

在这种系统中,即使是非常简单的规则也会产生极为复杂的模式。 P289

但是在他1981年首次讨论了量子计算机这个问题的讲座和论文中,他承认自己选择对这一问题进行思考的理由之一是,他对量子力学感到些微不适:我可以马上说清楚,这样你们就知道我真正的意图是什么,一直以来(这是秘密!秘密!关上门!)——一直以来,我们在理解量子力学所代表的世界观方面存在很多困难。 P290

在这样的世界中,人们只能确定可测量变量的概率结果,因为人们无法知道那些“隐变量”的值。 P291

贝内特的研究表明,关于计算物理学的许多传统观点是不正确的。 P292

费曼指出,他在理论上描绘出的量子计算机是模仿传统计算机而设计的,每一个逻辑运算都是按顺序进行的;随后,他又看似漫不经心地补充道:“本研究尚未涉及在这些可逆量子系统中,如何通过并行操作来获得可用的速度。 P293

如果我们将自旋态“上”称为“1”,将自旋态“下”称为“0”,那么这个自旋系统描述的就是一个典型的单个计算比特信息。 P294

现代所有的银行业务和国家安全信息都是用一个简单的代码加密的,任何传统计算机都无法破解这一代码。 P295

比这一现实考量更为重要的是,量子力学原理不仅可以使量子计算机避免传统计算机在解决诸如质因数分解这类问题时的限制,也使新型“量子传输”算法的开发在原则上成为可能,使信息得以在“点”与“点”之间进行绝对安全的传输。 P296

——译者注[3] 在2019年国际消费电子展(CES)上,美国IBM公司展示了全球首台独立量子计算机“IBM Q System One”的模型,该计算机包含20个量子比特。 P297

作者李·埃德森(Lee Edson)说:“科学家们对‘夸克’的疯狂追逐,在很大程度上是由加州理工学院的两位物理学家默里·盖尔曼和理查德·费曼所主导的……一位加州科学家将这两人称为‘当今理论物理学界最受瞩目的人物’。 P298

我的好同事——盖尔曼教授,一直在证明我是错的……我们突然听到了果壳破裂的噼啪声。 P299

这些对称性与我先前描述的旋转相似,可以让某些图形(如三角形和圆形)在经过某种操作后看起来与原先一样。 P300

然而,已知的SU(3)对称群中含有一个10元素的“表示”,即所谓的去耦合态。 P301

然而,物理学的特征之一是所有观察到的粒子,其电荷都是质子和电子所带电荷(电荷数相等,符号相反)的整数倍。 P302

此外,茨威格显然更倾向于提出,这些他称之为“艾斯”[2]的新的带有分数电荷的物体可能是真实存在的。 P303

他觉得,理论物理学家们在群论的语言中寻求安慰的努力,更像是一种精神寄托,而非实际的理解。 P304

这台新的加速器采用了一种与以往不同的技术来探测强相互作用的粒子。 P305

因此,我们可以选择用一个简单的“玩具模型”来描绘强相互作用的粒子,即所谓的“强子”(hadron):一个充满“结构单元”的盒子。 P306

然而,费曼认识到他可以利用自己的简洁方法探索更加复杂的过程。 P307

”1968年访问SLAC时,费曼也是“有备而来”。 P308

但实验研究者使费曼对这些结果本身有了更好的理解。 P309

费曼再度成为某个研究领域的中心人物。 P310

而盖尔曼则反过来取笑费曼的简化模型,以此来转移人们对他不愿意相信夸克确实存在的批评。 P311

在研究的过程中,费曼并未考虑过,或许也从未充分认识到,他的工作促进了人们对于科学真理本质的新理解。 P312

注意,在电磁相互作用中,光子与电荷耦合,而光子本身是电中性的。 P313

有趣的是,杨–米尔斯理论的群对称性可以用后来被盖尔曼用来给强相互作用粒子分类的同一种群论语言来表达。 P314

他向费曼介绍了杨–米尔斯理论,并指出这些理论中固有的对称性与广义相对论中的对称性非常相似,但又不那么令人生畏。 P315

格拉肖–温伯格理论魅力骤增!在接下来的5年中,这一理论的正确性逐渐被实验所证明,包括理论预测应当存在的3种新的大质量规范性玻色子;1984年,欧洲核子研究组织发现了大质量玻色子本身。 P316

但更重要的是,如何用这一新的强力来解释质子内部的物体(无论它们被称为“部分子”还是“夸克”)彼此之间似乎不发生相互作用这一事实呢?不到一年,人们就有了答案,而答案又回到了盖尔曼和洛关于电子电荷有效值在小尺度上加强的研究结果上。 P317

格罗斯、维尔切克率先对这一发现进行了后续研究,波利策紧随其后,他们发表了一系列的论文,其中原样采用了费曼为了与SLAC的标度无关性实验结果进行比较而发展出来的公式。 P318

在此之后又过了20年,格罗斯、维尔切克和波利策才因为他们在“渐近自由”方面的工作而获得诺贝尔奖。 P319

在那之前,他不愿停下探索的脚步。 P320

但更重要的是,路径积分的结果、渐近自由的性质以及强相互作用与弱相互作用的可重正性,为物理学家指出了一个新的方向,使他们对科学真理有了新的理解。 P321

事实上,正如格拉肖、温伯格和萨拉姆所证明的那样,在足够高的能量尺度上,QED与弱相互作用相结合,形成了一个新的统一理论。 P322

已知理论皆非终极理论,这或许正是费曼所乐见的情形。 P323

不过,费曼对此仍然表示怀疑。 P324

[1] 《芬尼根的守灵夜》被认为是“无法翻译”的作品,对“Three quarks for Muster Mark”这句话的中文翻译存在很多争议,有“给穆斯特·马克三个夸克”、“向麦克老大三呼夸克”、“给穆斯特·马克的三声夸克”以及“为马克检阅者王,三声夸克”等多种译法。 P325

——理查德·费曼1988年2月15日,临近午夜之时,理查德·费曼与世长辞,享年69岁。 P326

这些讲述可以令我们对费曼的非凡人生形成更深刻的认识,其中的一两个故事就使我更好地抓住了费曼的本质。 P327

那么为什么人们总是向他寻求建议呢?因为即使理查德不懂,他看上去也总是比其余所有人懂得更多。 P328

他说:“当然可以。 P329

”……费曼热爱物理学研究。 P330

随后,当我与弗兰克谈论相同的话题时,他告诉我,费曼表现出来的兴趣令他感到既惊讶又自豪。 P331

尽管如此,我并不佯称自己曾从事过任何基础的历史研究。 P332

本书的主要信息来源包括费曼发表的论文和著作,以及有关费曼的公开出版物。 P333

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