戴维斯(Paul Davies)
阿德莱德(Adelaide)1992
科学史家们的流行做法是深入探究科学革命的意义。每一次科学革命都是伴随着一批天才而来到的,那指的是一些男人和女人,通过他们的能力和想象力迫使科学共同体破除旧的思想习惯和接纳不熟悉的新概念。天才是已经受到大量研究的一种现象,而其重要性还没有得到多少注意的,或许是称为风格的东西。然而,对于科学的进步,研究风格的改变会与通常的天才给出同样大的冲击。
理查德·费曼在罕见的天才和非凡的风格这两方面都是很突出的。生于1918年的费曼,已经赶不上参与物理学的黄金时代,那是指20世纪前30年里由于相对论和量子力学而改变了我们世界观的两次科学革命。这些根本的发展铺设了我们叫作新物理学这座大厦的基础。费曼从那些基础出发,协助建立起这座大厦的底层。他的贡献触及物理学的几乎每一个角落,并且对物理学家们的思维方式产生了深刻而持久的影响。
费曼起初在他对粒子物理的研究,特别是对叫作量子电动力学或者简称QED的研究中留下了自己的名字。量子理论实际上是从这个问题开始的。1900年普朗克提出,在那之前一直看作波动的光和其他种类的电磁辐射,在它们与物质相互作用的时候,都应当看成是能量的一些微小的份额,即“量子”。这些微粒性的量子后来叫作光子。 到了20世纪30年代早期,新的量子力学的建筑师们已经建立了一种数学程式,去描写光子被像电子那样的带电粒子发射和吸收的过程。虽然这种QED的早期程式得到了某些成功,理论上却是有明显缺陷的。在20世纪40年代后期,年轻的费曼正是专注于建造一种首尾一致的QED理论这样的问题。
要把QED置于一个坚实的基础之上,需要使理论不仅与量子力学的原理,而且与狭义相对论的原理取得一致。这两种各自具有独特的数学方法以及复杂的方程系统的理论,确实能够协调和结合起来,产生一种QED的满意描述。这是由费曼和他的同代人建立的方法。然而,费曼自己是以一种全然不同的方式来考虑这个问题的;这种不同之处表现在,事实上费曼在一定程度上能够以一种直接的方式写出答案,而完全不必用到数学!
为了把这种直觉的特别技巧形象化,费曼发明了一套后来以他的名字命名的简单的图形系统即费曼图。费曼图是一种有效而明白的符号系统,用来画出当电子、光子和其他粒子相互产生作用的时候发生了什么事。今天我们依靠这些图形来进行日常的计算,但在20世纪50年代时,它们显得是对进行科学研究的传统方式的一种惊人的背离。
QED的特殊技术问题虽然是物理学发展的一块里程碑,但亦仅仅是作为费曼的独特风格的一种演示,那是反映在战后物理学的发展,以及引发了几十项重要的进展的风格。
最好把费曼的风格描写成对被普遍承认的智慧的一种尊敬和失敬的混合物。物理学是一门精密科学,而现存的知识体系虽然是不完全的,亦不能置之不理。费曼在很小的年纪就难得地掌握了物理学的现成原理,然后他选择去做几乎所有通常的问题。他不是那种局限在学科领域的浅水区兢兢业业地工作,而在需要涉足新的深度时犹豫不决的天才。他具有以一种特殊的方法进入基本的主流课题的特别才干,这意味着避开现成的程式,发展他自己依赖高度直觉的方法。当大多数理论物理学家依靠小心谨慎的数学计算来提供一种引导和一种帮助,带领自己到不熟悉的领域的时候,费曼的态度则几乎是自由发挥的。
费曼的方法意味着不仅对严格的程式表现了一种大度的藐视,而且在他的想法和交流里运用了一种天才的非正式思路。很难传达以这种风格工作所需要的天才的深度。理论物理学是人类努力从事的最困难的事业之一,并且它的各个概念是那么微妙和抽象,那些概念通常是不能够形象化的,而且技术上的复杂性亦使得不可能一下子从整体上掌握它。大多数物理学家只能够依靠最高级的数学和概念上的修养来取得进步。然而,费曼看起来好像是稳当地驰骋在这种严格的惯常规则之上,并且不断采集新的结果,如同从知识之树上摘取成熟的果实一样。
费曼的风格在很大程度上出自他个人的性格。在他的专业工作和私人生活里,他好像把世界当作是一场巨大而有趣的游戏。物理世界向他展示了一系列迷人的谜团和挑战,而他对社会环境亦是这样看待。一位一生都爱开玩笑的人,他对权威和学术机构的态度都不大尊敬,就像对乏味的数学程式一样。谁也不乐意受愚弄,只要他发现了一些武断的或者荒唐的旧规则,他就会推翻那些规则。在他的自传性的作品里,写下了一些有趣的故事:费曼在战争期间戏弄了原子弹基地的安全措施,费曼打开锁住的保险箱,费曼消解了一群妇女的恶意攻击。他以同样的要就要不要就拉倒的方式对待他因QED的工作而获得的诺贝尔奖。
在藐视拘泥于形式的俗套之余,费曼迷恋诡秘和难解的事物。许多人会记得他对位于中亚细亚的久被遗忘的图瓦共和国的着迷,他是那么高兴地被一部有关的纪录片迷住了,那是在他1988年去世之前不久制作的。他的另一些热心的消遣,包括了演奏邦戈鼓,绘画,常去表演脱衣舞的俱乐部,以及解读古代的玛雅文字。
费曼对生活并且特别对物理学的这种随心所欲的态度,无疑使得他成为这样一个超级的传播者。在他工作的加州理工学院,费曼不常做正式的讲课,甚至亦花不了多少时间来指导他的博士生。然而只要适合他的意愿,他就能给出辉煌的讲演,展示所有智慧的火花、洞察的见识,以及对于有关他的研究工作的随意发挥。
在20世纪60年代中期,费曼被邀请到纽约州的康奈尔大学做了关于物理定律的本性的一系列普及讲座。这些讲座由英国广播公司(BBC)作为电视节目记录下来,后来又由BBC出版了一部书。我在60年代后期还是一名青年学生的时候得到了一本,发现这些讲座是很吸引人的。给我深刻印象的主要是费曼能从最朴实的概念出发讨论物理观念的方式,其中几乎不用数学,并且很少用到专门的术语。他掌握了那样的窍门,能够从恰好的比拟或者日常的例子讲出一条非常深刻的原理的本质,而不会被一些附带的或者次要的细节所蒙蔽。在我的整个专业生涯里,我总记得他关于能量守恒定律同尝试用湿毛巾去擦干你的身体这个问题的卓越譬喻。
在这些讲演里选择的各个课题,并不打算成为现代物理学的一种综合性的概述。它们更适合看作是用费曼的眼光看待潜藏在物理学理论的心脏部位的问题和谜团的观点。全部物理学都植根于定律的观念,对于我们生活在一个有秩序的世界的信心,是可以通过理性的推理来理解的。但当我们直接观察自然界的时候,我们并不能显而易见地看到那些物理学定律。它们是隐藏起来的,是在我们研究的现象当中隐藏着的一些微妙的密码。
在费曼的第一次演讲里,讨论的最广为人知的定律是牛顿的引力定律。大多数其他的定律关系到描写物质粒子怎样相互作用的各种力的本性。但是这些力当中有少数是很特别的,而费曼自己具有这样的显赫声望,跻身于历史上发现一种新的物理学定律的少数科学家的行列之中,他的贡献说明了一种弱核力如何影响某些亚原子粒子的行为。
高能粒子物理学以它魔术似的巨型加速器以及看起来无尽头的新发现的亚原子粒子名单,支配了费曼这一代物理学家。费曼的研究领域主要在这一方面。在粒子物理学家中的一个伟大的统一主题,就是对称性和守恒定律是怎么样支配着亚原子动物园的秩序的。康奈尔讲座中的大部分内容都关系到在亚原子领域里,这些抽象的对称性和守恒律的状况。虽然自从20世纪60年代以来粒子物理学已经有了突飞猛进的发展,这些讲座仍然是有基本意义的。
同费曼对于对称性的兴趣正好相反的是有一次关于不对称性的讲座,即所谓时间箭头的问题。费曼对于这一课题的迷恋从他做博士论文的时候就开始了,那是在第二次世界大战期间的动荡年月里由惠勒指导的。原来的问题关系到试图构筑一种电动力学的理论,其中过去和将来对称地进入理论中。那是费曼第一次遭遇电动力学,后来由此绽放了他获得诺贝尔奖的QED工作的花朵。但是,时间箭头问题基本上仍然没有解决,继续困扰着理论物理学家的头脑。费曼复述了这一问题,他对这一问题的本性所做的精巧揭示,仍然是对这一迷人的课题的一种经典的论述。
从任何标准看来,这本书里所讨论的各个观念都必定是有深刻的哲学意义的。尽管费曼总是对哲学家们抱着怀疑的态度。我有一次有机会逮住他讨论了数学的本性和物理学定律,以及抽象的数学定律是否可以看作是享有一种独立的柏拉图式的存在这样的问题。他对为什么看来确实如此的原因,给出了一种生动和巧妙的描述,但当我迫使他站在某种特定的哲学立场的时候,他就很快退缩了。当我试图从他口中引出还原论的议题的时候,他亦同样地警觉起来。总而言之,事后我相信费曼并不轻视哲学问题。但是,正如他能够不用系统的数学工具去做精细的数学物理问题一样,他也能够产生某些精细的哲学见解而不需要系统的哲学学说。他所讨厌的是形式而不是内容。
看来这个世界将来不大可能看到有另一位费曼。他正是他那个时代的一个人物。费曼的风格对于巩固完善一次科学革命和开发它的种种结果这一过程中的一个主题来说是成功的。战后的物理学安全地站在它的基础上面,它的理论结构是成熟的,虽然仍然有广阔的天地可供随意开发。费曼的风格启发了整整一代科学家。这本书仍然是我所知道的,关于他的令人愉悦的看法的最佳记录。