魔術師般的物理學家

天才分兩種：普通天才和魔術師天才。

普通天才和一般人也沒有什麼不一樣，只是比一般人聰明好幾倍。他們的思考方式並沒有任何奇特之處。一旦我們了解他們的研究，便會覺得自己也能做得到。魔術師就不同了。……他們自有一套思維方式，一般人根本無從捉摸。就算我們能夠明白他們的研究結果，對他們的推論過程仍是一無所知。他們很少有門生，因為沒有人能學得他們的真傳。如果有位聰明的年輕人拜他們為師，他一定會覺得力不從心，跟不上魔術師令人仰之彌高的思維。費曼是最高明的魔術師。

費曼就是一位魔術師般的天才。再加之費曼特別喜歡開玩笑，喜歡穿一些奇裝異服搞笑。除了對科學有著異乎尋常的熱愛，費曼還對開玩笑樂此不疲，對各種常人的樂趣也興緻盎然。在為理解自然規律而英勇奮鬥的餘暇，他喜歡與朋友們一起放鬆，喜歡打他的邦戈鼓，喜歡通過耍花招或講故事來與大家逗樂。在這方面，他與莎士比亞也有些類似。「他專心寫作時，會夜以繼日；一直給自己施壓，不到精疲力竭，絕不放鬆；而一旦從工作中脫開身，他又會全身心地投入各種運動和娛樂之中；這時想將他拉回書桌邊基本上是沒希望的；但是一旦重新開寫，他會因為得到了放鬆，而變得更強悍更認真。」這就是莎士比亞，也是我熟知和熱愛的費曼——我崇拜的偶像。

費曼，出生於100年前。在1965年獲得諾貝爾物理學獎的不久後，便在歐洲核子研究中心舉行了一場講座。| 圖片來源：CERN

最令人驚訝的是，量子力學這麼難於為人們接受，連被稱為「上帝的鞭子」的泡利（W. Paoli）都被量子力學弄得灰心喪氣，卻沒有引起人們重新審視量子力學的源頭，以便對它的基礎做一番徹底的改革。當時還是量子力學新手的費曼，卻非常不滿意這種現狀，立意要重新改寫量子力學的基礎。這可真是「初生牛犢不怕虎」啊！

經過一年多的努力，費曼居然真的獨自闖出了一條新路——路徑積分（path integral）！這是一種完全不同於以往進入量子力學的路線。一位原來嘲笑費曼自不量力的同事驚呼道：「怎麼也沒有想到會有另外一種方法來建立和理解量子力學！」

學術貢獻

在建立量子電動力學的時候，幾乎所有的物理學高手都陷入極其複雜的計算而且不得要領，這時費曼卻再次像變魔術一樣，向物理學家們展示一種「費曼圖」（Feynman diagram）。在費曼玩世不恭的外表下，其實掩藏著的是一顆敏感善良的心。早期對原子彈的研發所作出的貢獻讓他深陷痛苦與自責中。這些內心的惡魔一直阻撓著他的研究進展。直到1947年，在紐約參加的一個研討會上，物理學家蘭姆（Willis Lamb）談論了用狄拉克方程預測的氫原子的特定能級，與通過微波而激發的原子實驗所得結果之間的差異。受到貝特對蘭姆位移的快速計算，費曼發展了新的技巧來解決了這一問題，並將研究擴展到更廣泛的帶電粒子間的量子電動力學（QED）相互作用。

QED描述的是電子與光之間的相互作用。以經典物理學的標準來看，QED似乎很荒謬。例如，電子的行為在同一時間裡表現得既像粒子又像波；而電子的反物質對應物——正電子，則可被看作是電子在朝著與時間箭頭相反的方向運動；光從一個點到另一個點的傳播不是遵循一條簡單的直線，而是沿著每條可能的路徑前進。1965年，他因這項工作與另外兩位分別獨立提出QED的物理學家施溫格（Julian Schwinger）和朝永振一郎，共同獲得諾貝爾物理學獎。

費曼的QED是施溫格發展出的令人望而生畏的數學理論的另一版本。在費曼的版本中，「費曼圖」的發明讓深奧晦澀的理論更加簡潔易懂：在時空坐標上，線段代表電子和正電子的運動，波浪線代表光子的釋放或吸收，環圈則表示一些更加神秘的相互作用。這些圖形可以變得非常複雜，但與大量的數學相比，它們實在太簡潔了。

費曼圖：兩個電子交換一個光子（左）；右：引力子遇到量子漲落。| 圖片來源：Olena Shmahalo/Quanta Magazine

通過費曼圖，他描繪了可能的相互作用模式的全部範圍，每一個都對「歷史求和」的總繪景做出了貢獻。除了在QED上的運用，費曼圖還有許多其他運用。現在，這已成為粒子物理學家日常使用的標準工具了。

在建立量子電動力學的時候，幾乎所有的物理學高手都陷入極其複雜的計算而且不得要領，這時費曼卻再次像變魔術一樣，向物理學家們展示一種「費曼圖」（Feynman diagram）。當時幾乎沒有一個人認真對待這種魔術一般的圖樣，而且還受到許多人的嘲弄。哥本哈根學派首領玻爾（N. Bohr）氣得吹鬍子瞪眼睛地說：「這位年輕人以為量子力學就那麼容易讓人亂七八糟地擺弄著玩的？他忘記了粒子是沒有軌跡可循的？！」

幸好在他的朋友戴森的努力下，物理學家們終於理解了這種魔術般的圖形的巨大威力：它甩開了繁複困難的計算，使得量子電動力學變得非常簡單易懂，連初學的人也立即可以深入討論其中的種種機制和預見後果。難怪戴森說：「費曼發明了一種描述量子過程的新方法——使用示意圖代替方程來表示相互作用的粒子。他為進行這個特定的計算而發明的『費曼圖』，在物理學上引起了一場革命。這些圖不僅是一種有用的計算工具，而且是理解大自然的一條新途徑。費曼的基本思想簡單而通用。如果我們要計算一個量子過程，我們只需畫出所有可能發生的相互作用的示意圖，遵照某些簡單的規則，計算與每幅圖對應的一個數字，然後將這些數字加在一起。因此，一個量子過程不過是一組圖，每一幅描述該過程可能發生的一種方式。」

費曼圖為我們提供了量子過程的一種可視化表示，這種簡單的表示不僅適用於氫原子，而且適用於宇宙中的所有東西。這些圖被發明20年以來，已成為全世界粒子物理學家的工作語言。

費曼不僅在一般人心目中，而且在物理學家心目中也成為一位魔術大師了！

調查挑戰者號

他是一個如此複雜的綜合體，當你覺得他像個玩世不恭的壞小子時，卻會發現他是最有氣節、最正直、最誠實的科學家。1986年，費曼接受政府委派，要求擔任政府調查委員會調查載有7名宇航員的太空梭挑戰者號災難性事件的起因。那時他已身患有兩種罕見的癌症，而且他生平最不愛與政府機構打交道。他曾給自己定過一個規則——絕對不「靠近」華盛頓地區。但他還是接受了這項任務。

當他前往調查時，感受到了官僚和政治帶來的阻力，也察覺出問題的所在。這讓他既沮喪又興奮。很快，他用實驗表明了在火箭助推器中的O形橡膠環在空氣溫度低於冰點時會失去伸縮性，使得熱氣從內部逸出，導致太空梭的解體。而在挑戰者號發射的當天早上，氣溫是低於零下的。

此外，他還展示了其他委員所欠缺的道德勇氣，批評NASA的管理人員不接納工程師的警告，並指出了造成系統故障的設計問題。他在NASA的這件愚蠢的災難性慘劇結尾時說：「自然不能被愚弄。」如果說真有什麼權威機構是讓費曼信服的，那就是真相。而他對這一神聖不容侵犯的標準的虔誠，為他與科學贏得了世人的尊敬。

那麼多航天技術專家都不能分析，卻偏偏這位理論物理學家進入事故分析小組！外界理所當然地會一片嘩然：「這簡直是『喬老爺亂點鴛鴦譜』嘛！」沒有人相信一個專門從事理論研究的物理學家，能夠分析如此複雜的技術問題。但是，沒有多久，全美國人都在1986年2月12日的《紐約時報》上看到，這麼複雜的技術問題居然真的被費曼解決了！《紐約時報》上還刊登了費曼的一幅照片，顯示他如何在聽證會上說明他對事故分析的結果。

這一次，全美國的人甚至於全世界的人，都領教了這位魔術大師的風采和本領。

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