部分 走向偉大之路

  第1章 準備就緒

  第2章 量子宇宙

  第3章 思考的新方式

  第4章 量子的奇妙世界

  第5章 結束和開始

  第6章 純真的褪去

  第7章 走向偉大

  第8章 從這裡到無窮

  第9章 瓜分原子

  第10章 通過黑暗的玻璃

第二部分 宇宙的另一邊

  第11章 中心的物質和物質的中心

  第12章 重新規劃宇宙

  第13章 隱藏在鏡子裡

  第14章 娛樂和快樂

  第15章 扭轉宇宙的尾巴

  第16章 從上到下

  第17章 真理、美麗與自由

  後記 性格決定命運

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。

這是一本引人入勝的傳記，描寫了一個活潑有趣的人。

——史蒂芬•平克，思想家

如此有魅力的人物當由一位迷人、博學而有學識的物理學家為其立傳，以期毫無保留地刻畫其優點與缺點。勞倫斯•克勞斯正是可當此任的人選，他以獨特的風格、精湛的文筆和深刻的見解完成了這項挑戰。

——理查德•道金斯，《自私的基 因》作者

克勞斯的這本傳記基於費曼的個人生活與所處時代的背景，將費曼傑出的科學貢獻放在了顯著的位置上。費曼一定會認同。

——弗朗克•韋爾切克，麻省理工學院教 授，諾貝爾物理學獎得主

妙趣橫生，精彩絕倫。值得一讀!  

——布賴恩•格林，《宇宙的琴弦》作者

強烈推薦給想要了解20世紀傑出科學家之一的讀者。

——《出版人周刊》

這本書是對有關費曼的作品的頗有價值的補充。

——《柯克斯書評》

部分

通向偉大的路徑

科學教會了人們事物是如何被理解的，什麼是未知的，我們對已知事物的了解達到了何種程度（事實上，我們不可能知道全部），如何對待疑惑和不確定性，我們的證據依賴怎樣的法則，如何思考並做出正確的判斷，如何透過騙術與表相來看清事實。

——理查德·費曼

第1章

真相往往很簡單

如果你能用幾種不同的方式將同一件事完整地描述出來，卻不能立刻意識到這些描述指的是同一件事，那這件事很可能是很簡單的。

——理查德·費曼

當理查德·費曼還是個孩子的時候，是否有人曾經料到，他將成為或許是20世紀後半葉偉大，很可能也是受人愛戴的物理學家？這個問題的答案依然模糊不清，但種種跡像早已露出端倪：兒時的費曼極其聰明。他有一位盡職的父親，經常和他一起玩智力遊戲，循循善誘地讓小費曼逐漸愛上了學習，激發他與生俱來的好奇心，並盡可能地拓寬其視野。小費曼擁有自己的家庭化學實驗室，並對收音機表現出了極大的興趣。

但是在當時，這些跡像在其他聰明小孩身上也很常見。從各方面來看，兒時的理查德·費曼也不過就是次世界大戰之後在長島成長起來的一個典型的聰明的猶太小孩。然而，這一簡單的事實或許正是決定了他未來人生高度的重要因素之一。費曼有著異常敏銳的思維，但他依然腳踏實地，即使他被驅使著去探索關乎人類存在的那些深奧的領域時，也是如此。費曼對於浮誇的厭惡來自他的童年生活，兒時的他沒有接觸過那些虛與委蛇；而他對於權威的蔑視則不僅僅源於培養了其獨立意識的父親，還因為他是一個自由的孩子，可以自由地追隨自己的興趣，也承受得起犯錯的代價。

成就其偉大的個跡像或許就是費曼不倦的耐心，他可以專注於一個問題幾個小時之久，而這種孜孜以求的態度甚至讓他的父母有所擔憂。10多歲的費曼痴迷於收音機，甚至做起了修收音機的小生意。但與一般修理匠不同的是，費曼並不是簡單地修修補補，同時也很樂於通過思考來解決收音機的問題。

費曼在修理收音機的時候不僅展現了他非同尋常的專注力，還展示了他的表演天賦。他有名的一次修理收音機的經歷是這樣的：客戶隻要一打開收音機，就會聽到刺耳的尖嘯。費曼一邊在屋裡來回踱步，一邊思考。終，年輕的費曼從收音機裡拽出了兩根管子，將它們的位置互換，又插了回去。收音機就這樣被修好了。其實我懷疑，費曼是故意放慢了節奏，讓整個修理的過程變得更長，而理由僅僅是，這樣做更具“表演”的效果。

類似的情形在費曼後來的生活中又再次上演，這一次是有人邀請充滿質疑精神的費曼去檢查一張令人費解的氣泡室（一種用來顯示基本粒子軌跡的裝置）照片。經過一番思考，費曼先生用手裡的鉛筆指向了照片中的一點，並聲稱就在這一點應該有一道閃光，由一次意料之外的粒子踫撞造成，隻是工作人員沒有記錄下來。正是因為沒有觀察到這一閃光，對實驗結果的解釋將向錯誤的方向發展。結果可想而知，當實驗人員回到實驗設備前重新進行觀察時，他們看到了那一道閃光。

費曼的表演天賦的確為其個人傳奇增色不少，然而無論是這一天賦，還是他後來對女性的貪戀，都不是他的科學探索中的重要因素。他面對問題時心無旁騖的執著，以及異乎常人的精力，纔是推進其事業發展的根本所在。除此之外，還有一個因素可謂錦上添花，終成就了費曼的卓越造詣，那就是他無與倫比的數學天賦。

費曼在高中時代就逐漸展露了他的數學纔能。高中二年級的時候，費曼便自學了三角學、高等代數、無窮級數、解析幾何以及微積分！就在自學這些知識的同時，費曼的另一特質也在逐漸形成：他會按照自己的方式重塑所有的知識，經常發明新的表達方式或公式來表達自己的理解。有時候，需求就是創造之源。1933年，年僅15歲的費曼在為一本手冊輸入復雜的數學公式時，因為通常的打字機上沒有合適的數學符號來表示合適的數學運算，他便發明了一套“打字機用數學符號”，並為自己開發的積分表創建了一套新的表示記號。

進入麻省理工學院後，費曼初打算主修數學，然而事後證明這偏離了他的本意。盡管他熱愛數學，但他更想知道他能用數學“做什麼”。費曼把這個問題拋給了數學繫的主任，然後他得到了兩個不同的答案：一個答案是，數學可以用於保險概算；另一個答案卻是，“如果你一定要問這個問題，那麼你不該來數學繫”。這兩個答案都沒有引起費曼的共鳴，他認為數學不適合自己，因此轉到了電氣工程專業。有趣的是，這一轉折似乎有點兒太了。如果數學是一個不強調實用性的學科，那麼工程學則太看重應用了。然而，物理之於費曼，恰如金發姑娘的湯，是“剛剛好”的。在大學一年級結束時，費曼轉到了物理專業。

這無疑是一個令費曼感到振奮的選擇。憑借著與生俱來的纔能，費曼在物理繫脫穎而出。但是他還有另一種可能更為重要的纔能，我不知道是天生的，還是後天培養的——那就是直覺。

物理直覺是一種令人神往卻又難以捉摸的技能。我們如何纔能預知哪條路能有效地解決物理學問題？毫無疑問，有些直覺是可以習得的。這就是為什麼主修物理的學生被要求解大量的習題。通過這種方式，他們開始獲知哪些方法可行，哪些不可行，與此同時這也增進了他們解決問題的具體技能。然而必須承認，有些方面的物理直覺是無法傳授的，這些直覺往往在特定的時間和地點纔能與特定人的靈魂踫撞。愛因斯坦擁有這樣的直覺，從他具有劃時代意義的狹義相對論，到他登峰造極的成就——廣義相對論的提出，這種直覺伴隨了他20多年。然而後來，當他慢慢遠離了20世紀量子力學的主流研究前沿時，這種直覺漸漸遠離了他。

費曼的直覺在某一方面是很獨特的。愛因斯坦提出了關於自然界的全新理論，而費曼則是從全新的角度探索了一些已知的觀點，而這些新角度往往伴隨或導致了更多的理論成果的產生。費曼理解一種物理思想的方式，就是用他自己的物理語言去推導。但由於他的物理語言通常是自學得來的，他推導的終結果往往與“傳統”的觀點大相徑庭。我們將在後文中看到，費曼是如何建構他自己的知識體繫的。

不過，費曼的直覺也是來之不易的，他的直覺建立在不懈努力的基礎之上。早在高中時代，他繫統化的學習方法和檢驗問題時的全面周密就已展露無遺。他在記事本上用表格詳細記錄了計算正弦值和餘弦值的過程。後來在他編寫的一本名為《實用微積分》的詳盡的學習筆記中，他列出了長長的積分表格，表格中的所有積分也是他親自計算出來的。在後來的人生中，費曼時而因為給出了對問題的新解法而令人驚嘆，時而因為迅速抓住了復雜問題的核心而受到關注。而這些看似超眾的纔能，實際上是因為他對於一個問題會不知疲倦地思考，會想出一繫列不同的解法，而不是止步於一種解法。這樣的思考和探索都體現在他為了理解自然世界而記錄的數千頁的筆記裡。正是因為他願意從每個角度去思考一個問題，並在窮盡一切可能之後纔開始仔細整理思路，他纔如此與眾不同，而這些都源於他深沉的纔智和不知疲倦的專注力。

“願意”一詞用在這裡或許並不準確，“需要”似乎更為妥當。費曼需要全面理解他遇到的每一個問題，從頭開始，用他自己的方式，通過多種方法去解決它。後來，他還試圖將這一研究原則教給他的學生。一個學生後來說：“費曼強調創造性，對他而言，創造性就是從頭開始解決問題。他敦促我們創造自己的理論體繫。這樣一來，我們的成果，即便隻是指定的課堂習題的答案，也會帶有自己的個性特質——就像費曼自己的工作帶有他獨特的個性印記那樣。”

小時候的費曼不僅能夠長時間聚精會神，而且已經彰顯出控制並組織思維的能力。還記得我自己小時候，我有一套家庭化學實驗套裝，我常常把各種東西隨機組合在一起，觀察可能發生的事情。而費曼則如他後來所強調的那樣，“從不在與科學有關的事情上胡來”。他總是以一種可控的方式來進行他的科學“遊戲”，密切留意事情的進展。在他逝世後，人們通過費曼所做的大量筆記發現，他的確仔細記錄了他的每一次科學探索。他甚至一度設想用科學的方法來安排與自己未來妻子的家庭生活，直到一位朋友使他相信，這種想法完全不切實際。終，費曼放棄了這種認為凡事皆可用物理來安排的天真想法。多年以後，他向一個學生建議道：“人格的培養不能僅僅依靠物理定律，生活的其他方面也得加進來。”任何時候，費曼都喜歡遊戲和玩笑，但當觸及科學時，他會變得異常嚴肅，這種狀態始於兒時，並貫穿其一生。

費曼也許是在大學年接近尾聲的時候纔做出了轉修物理的決定，但當他還在讀高中時，一切早有鋪墊。事後想來，對費曼投身物理起決定性作用的事件，是他的高中老師巴德先生向他介紹了可觀測世界裡微妙卻也精彩的奧秘之一。這一奧秘建立在費曼出生300多年前的一個發現的基礎之上，其發現者是律師出身的傑出而孤僻的法國數學家皮埃爾·德·費馬（Pierre de Fermat）。

和費曼一樣，費馬在晚年獲得的公眾影響力並非因為他重要的科學成就。1637年，費馬在閱讀希臘著名數學家丟番圖的傑作《算術》時，在書頁的空白處草草地寫下了幾行字，稱他已經發現了關於一個非凡數學事實的極簡證明。這一非凡事實是：當n H 2時，方程

xn yn = zn無整數解（當n = 2時，該方程就是我們熟悉的描述直角三角形三條邊關繫的畢達哥拉斯定理）。費馬是否真的做出了這個證明是值得懷疑的，因為即使到了350餘年後，對這一數學事實的證明也幾乎需要用到20世紀數學領域的全部積澱以及幾百頁的演算纔能完成。無論如何，如果費馬至今仍被公眾記得的話，那並不是因為他在幾何學、微積分以及數論等方面的許多重要貢獻，而是因為那個寫在書頁邊緣，被人們稱為“費馬大定理”的永恆猜想。

然而，在做出上述可疑聲明的25年後，費馬確實對另一條定律給出了完整的證明：這一出色的、幾乎超自然的原理對於一些物理現像有著指導意義，而費曼將用它改變我們對現代物理學的認識。費馬於1662年關注的這一問題涉及荷蘭科學家維勒布羅德·斯涅耳（Willebrord Snell）在40年前所描述的現像。光從一種介質（如空氣）傳播到另一種介質（如水）中時，它的傳播方向會發生改變，這就是折射現像。斯涅耳總結出了折射的數學規律，今天我們稱其為“斯涅耳定律”（Snell’s law）。這一定律至今仍是高中物理課上經常出現且需要額外記憶的乏味知識點，然而實際上，它在科學史上有著重要而深遠的影響。

斯涅耳定律給出了光線通過兩介質間的界面時入射角和折射角的關繫。我們這裡不關注這個定律準確的數學形式，隻關注它的一般性特征以及它的物理根源。簡而言之，該定律指出，當光從低密度介質進入高密度介質時，光的軌跡會向與界面垂直的方向彎折（見圖1）。