我發現物理是一個絕妙的東西。我們將諸多已知約化為寥寥幾個方程,此外我們仍知之甚少。
——理查德·費曼,1947年
回憶兒時,人們往往很難分辨某段記憶究竟是真實發生過,還是隻是想像。但我十分清晰地記得次萌生這一念頭的情形:做一名物理學家或許真的會令人興奮。我自小對科學著迷,但彼時我所觸及的都是一些落後於當時至少半個世紀的科學。與其說是科學,倒不如說是歷史。那時的我還沒有意識到,神奇的自然界尚有很多未解之謎。
高中有一年參加暑期科學項目時,我突然領悟了。不知是不是察覺到我當時對課程有些不感興趣,我的老師在堅持既定的課程安排的同時,扔給我一本理查德·費曼的《物理定律的本性》(The Character of Physical Law),讓我閱讀其中關於過去和未來區別的章節。這是我次接觸熵和無序度的概念。就像許多前輩一樣,這些概念令我感到迷惑甚至沮喪,而偉大的物理學家路德維希·玻爾茲曼(Ludwig Boltzmann)和保羅·埃倫費斯特(Paul Ehrenfest)甚至在耗費畢生精力研究這一課題之後選擇了自殺。我無法理解世界是如何由簡入繁地變化的:從簡單的兩體問題(比如地球和月球),推廣至多體問題,比如此刻我在其中敲擊鍵盤的房間裡那些氣體分子的運動,這些問題既微妙又深刻。毫無疑問,對於當時的我來說,這些問題過於微妙和深刻了。
但到了第二天,我的老師問我是否聽說過反物質,接著又告訴我那本書的作者費曼,剛剛因為闡釋了反粒子可以被看作正常粒子沿時間軸反向運動而獲得了諾貝爾獎。這太吸引人了,盡管我並不了解個中細節(回想起來,好像我的老師也不是很了解),但這些激動人心的發現在我生活的時代產生,這激勵了我,讓我認識到還有很多領域值得探索。(事實上,盡管我的結論是對的,但我得此結論所依據的信息卻並不準確。大約在我出生的10年之前,費曼就發表了與他獲獎相關的量子電動力學論文,而那個反粒子可以被看作正常粒子沿時間軸反向運動的想法甚至根本不是費曼的。當傳播到高中老師和教材裡時,這一物理思想已接近“中年”了,而且往往偏離了原貌。)
在我後來學習和研究物理的過程中,費曼成了我,或者說成了一整代物理人心目中的英雄和傳奇。進入大學的時候,我和其他許多有志於物理研究的青年學子一樣購買了《費曼物理學講義》(Feynman Lectures on Physics)這套書,雖然實際上它並非任何一門課程的指定教材。但是正像很多同齡人一樣,即使我們的水平早已超越了大學物理入門課程的難度,我們還是會不時地參閱此書。正是在閱讀這些講義的過程中,我喫驚地發現,我在那次高中暑期項目中的體驗與費曼高中時的一段奇特經歷何其相似。這一點我們稍後詳談。現在我隻想說,我真希望我的經歷也能帶來和費曼的少年往事一樣意義重大的結果。
直到進入研究生院學習,我纔明白當初暑期科學項目裡的科學老師試圖介紹給我的是怎樣的一個科學分支,但在很大程度上,我對基本粒子世界的興致,以及對為基本粒子著書立說的這位“妙人”費曼的痴迷,都始於高中暑校的那個早晨,且從未停止。寫到這裡,我突然意識到,我撰寫的畢業論文是關於路徑積分的,而這一領域正是由費曼開闢的。
神奇的命運使我有幸在本科學習階段遇到了理查德·費曼,並與他共度了一段時光。那時我加入了一個叫作“加拿大本科生物理協會”的組織,這個組織的目標就是組織一次全國性質的會議,請一些傑出的物理學家在會上做學術報告,同時與會的本科生將展示他們在暑期研究中的成果。如果我沒記錯的話,那應該是1974年,費曼被極富個人魅力的協會主席說服(也可能是被引誘,總之我說不清楚,也不該妄加揣度),作為大會主講人參加了在溫哥華舉行的會議。在他做完大會報告後,我鬥膽向他提了一個問題,這一切被一名雜志的攝影記者拍了下來,並刊登了出去。然而更為重要的是,我是帶著女友一塊兒去的,並且在隨後那個周末的大部分時間裡,費曼都和我們倆一起混跡於溫哥華當地的一些酒吧。
本科畢業後,我去了麻省理工學院的研究生院並聆聽了幾次費曼的學術報告。又過了幾年,我獲得了博士學位,而後到了哈佛大學。在加州理工學院舉行的一次學術討論會上做報告時,我又遇到了費曼,他坐在聽眾席裡,讓我略感緊張。他很有禮貌地問了一兩個問題,並且在討論會正式結束後還繼續與我交流。我想他已經忘記了我們在溫哥華的會面,而沒能跟他本人確認他是否還記得那件事則成了我的一樁終生憾事。沒辦法,就在他很耐心地等待著跟我交談的時候,一名執著且討厭的年輕助理教授霸占了討論,直到費曼終於離開了會場。自此以後,我再未見過費曼,而過了幾年,他就離開了人世。
早在進入公眾視野之前,理查德·費曼就已經成為整整一代物理學家心目中的傳奇人物。獲得諾貝爾獎或許讓費曼登上了世界各地的報紙頭條,但是第二天,同樣的位置就會被更具時效性的內容取代,每一天的頭條並不會在人們的記憶中留存很久,正如每天的報紙一樣。費曼的聲名鵲起並非源於他的科學貢獻本身,而是源於一繫列回溯他個人生平的書籍。透過這些回憶錄,我們可以看到這位天纔物理學家同時還是一位纔華橫溢、妙語連珠的講故事的高手。那些哪怕隻是與費曼有過一面之緣的人,也一定會被他超凡的個人魅力所征服。他有著深邃的目光、頑皮的淺笑,說話一口紐約腔,這一切與刻板的科學家形像格格不入。而他對諸如邦戈鼓和脫衣舞酒吧之類事物的痴迷,更為他本已超脫的人生增添了神秘色彩。
然而,真正使費曼成為公眾人物的是一次令人始料不及的悲劇性事故:挑戰者號航天飛機在升空不久後發生了爆炸,遇難者中包括美國首名參加太空飛行的“普通公民”—一名公立學校的老師。按照原本的計劃,她將在太空中為學生授課。在隨後展開的事故調查中,美國國家航空航天局(NASA)邀請費曼加入了調查委員會。以往他刻意回避任何委員會,以及會妨礙他展開科學工作的其他人或事情,但這次一反常態的是,他接受了邀請。
費曼用他自己的方式進行了調查,其調查方式同樣獨樹一幟。他並沒有在辦公室裡研究卷帙浩繁的事故報告和未來如何避免事故的那些官僚文牘,而是直接與NASA的工程師和科學家對話。在一次非常著名的電視聽證會上,費曼做了一個實驗,將一個小的O型橡膠密封圈放進一杯冰水裡,從而證明了挑戰者號所采用的橡膠密封圈處於事故當天的低溫條件下會失去本該有的密封功能。
那場聽證會之後,關於費曼舊聞逸事的書籍、個人書信彙編和一些“失而復得”的演講錄音紛紛湧現,甚至直到他去世,類似的資料依然層出不窮。傳記類暢銷書也相繼付梓,其中出名的就是詹姆斯·格雷克(James Gleick)所著的《費曼傳》(Genius)。
費曼其人其事將會持續散發其魅力,當有人約請我從其科學貢獻的視角來撰寫一本反映費曼一生的簡短、親切的作品時,我感到義不容辭。這一創作讓我干勁兒十足,因為我有機會閱讀他留下的原始文獻了。(很多人可能意識不到,科學家其實很少去挖掘自己所在領域的早期文獻,尤其是那些幾十年前的老文獻。這是因為科學思想幾經提煉和升華,的物理表述往往已遠遠脫離了它們初的形態,即使它們描述的是同樣的物理過程。)但更重要的是,我意識到,費曼的物理學為20世紀後半葉微觀世界物理問題的關鍵進展提供了理論視角,而他留下的許多謎題至今仍然懸而未決。
在本書接下來的部分,我將盡量站在費曼的立場,忠實而客觀地呈現他的觀點及其思想內涵。而正因如此,本書的首要目的是在個人科學傳記的背景下,講述費曼如何影響了我們對客觀物質世界的理解。我將不會花太多筆墨描寫物理學家在探索科學的過程中走過的彎路和死胡同,雖然哪怕成功的科學家都曾被這些歧路吸引,費曼也不例外。對於非專業人士來說,要正確理解物理學家對自然世界的了解已屬不易,因此,我們不必再去整理更多花哨卻錯誤的提法而使讀者們誤入歧途。盡管其中不乏巧妙而機智的觀點,但歸根結底,我們的重點在於那些經歷了時間檢驗而被實驗證實的理論。
我的小小的目標是聚焦於費曼給我們留下的科學財富,這些財富影響了20世紀物理學的革命性發展,並將繼續對21世紀一些物理學謎題的解開造成影響。我真正想要向非物理學從業者揭示的是,為何費曼能夠被大多數當世物理學家奉為神壇之上的英雄。如果我能夠做到這一點,將有助於讀者理解現代物理學的一些核心內容,以及費曼在改變我們的世界圖景中所起到的作用。於我而言,這些是我能為理查德·費曼這位天纔所做的證明。