費曼，一個真性情的「挑戰者」

史曉雷 | 中科院自然科學史研究所 副研究員

如果你是一位《生活大爆炸》粉絲的話，對下面謝耳朵與佩妮討論粒子物理學的場景一定不陌生。在畫面的白板上，有3個奇怪的圖像，那便是大名鼎鼎的費曼圖。《生活大爆炸》多次以費曼為話題，一方面是因為費曼在物理學界的影響，另一方面因為該劇的背景地是加州理工學院，它是費曼1951年之後的執教地。費曼是20世紀一位極具才華、極富個性的科學家，讓我們從他晚年參與調查的「挑戰者」號事故開始吧。

佩妮和謝耳朵在討論粒子物理學

調查「挑戰者」號事故

1986年1月28日上午11時39分，在美國佛羅里達州肯尼迪航天中心騰空而起的「挑戰者」號太空梭升空73秒後，突然發生爆炸，機上7名宇航員全部遇難。事發之後，美國宇航局（NASA）成立了一個事故調查委員會，當時在加州理工學院任教的費曼被邀成為調查委員會的一員。在調查過程中，費曼發現助推火箭上的一個O形環有燒焦痕迹，因此懷疑火箭燃料燃燒時從那裡發生了燃料泄漏，從而引發了整個事故。

同時費曼了解到，太空梭發射當天，地面溫度是零下3至4度，遠低於通常的12度，費曼認為事故的罪魁禍首就是這個O形環。隨後在一次面向公眾的電視直播會議上，費曼以他一貫簡潔、清晰展示科學原理的風格說明了O形環的問題所在，他在現場只用了3件道具，同樣的O形橡膠密封環，一把尖嘴鉗，一杯冰水。他用尖嘴鉗把O形環夾變形了一些，之後置於冰水杯中，一會他又取出來向公眾展示，O形環沒有恢復變形。

整個展示不過幾分鐘，卻說明了事故的真相，正是O形橡膠環在低溫下喪失了膨脹性，導致燃料泄漏引發了爆炸。科學家都崇尚簡單、厭惡繁文縟節，但是像費曼這樣身體力行，一生致力於簡潔化的科學思想、方法，並傾注大量心血於科學教育的，確是寥寥無幾。他卓越的科學成就，獨特的科學教育方式以及迷人的個性使得他成為家喻戶曉的明星科學家。

善於抓住事物的本質，這是費曼小時候從父親那裡得到的教誨。一次在林中散步，父子一起觀察一些鳥雀，父親告訴他，如果你知道了這種鳥雀的名字，哪怕是許多種語言的名字，都無助於加深對鳥的理解，只有通過觀察鳥的行為才能去認識它。這些話影響了費曼一生，他對哲學家在概念上的糾纏很不屑，認為自然界不會滿足哲學家那些先入為主的見解。有人問他，如果用一句話概括出現代科學最基本的觀點，費曼回答說：一切物質都是由原子構成的。

簡潔的科學理論

費曼由於在量子電動力學上的貢獻和施溫格、朝永振一郎分享了1965年諾貝爾物理學獎。他們3人其實是用不同的方法創建了量子電動力學，這種現象在科學史上倒不罕見，17世紀時牛頓和萊布尼茨就各自獨立發明了微積分，1920年代海森堡和薛定諤也各自創建了量子力學。但是在他們3人中，費曼的方法最直觀、最形象，這也是他一貫簡潔風格的體現。其中用到的費曼圖，就是一種符號化的物理語言，比如反映物理學中康普頓效應（光子和電子相互作用）的費曼圖為：

費曼圖表示的康普頓效應

實線代表電子，波紋線代表光子，頂點表示作用，費曼圖不僅有鮮明的物理含義，而且具有嚴格的數學含義，可以說每一幅費曼圖就是一個數學表達式。上述費曼圖表示的物理含義是，光子與原子中的電子發生彈性碰撞，碰撞後光子損失能量，改變其運動方向，而電子獲得能量從原子中飛出。

費曼的好友、物理學家戴森回憶說：「當費曼看不懂正統教科書中的量子力學時，他只好從頭開始發明了一套自己能看得懂的量子力學……我用正統方法所做的計算，花了我幾個月的時間，寫了幾百張紙；費曼卻可以在黑板上，花半個小時就得到幾乎相同的答案。」這從側面也反映了費曼創造簡潔科學理論的天分。

身體力行於科學教育

費曼對科學教育界產生了難以估量的影響，其中最寶貴的禮物應當是著名的三卷本《費曼物理學講義》，有人認為它是迄今最好的大學物理學教材。

費曼早年參加了製造原子彈的曼哈頓工程，二戰結束後他到了康奈爾大學任教，1949年到1951年，他應邀到巴西給大學生講授了10個月（非連續的）的物理課，那裡的學生都喜歡背誦，卻不知道自己在背什麼。返回美國後，費曼到了加州理工學院，但他一直沒有給低年級的大學生講過物理課，直到1961年秋季學校有一項物理教育改革項目，他在同事的推薦下答應給低年級大學生講授兩年物理課。

《費曼物理學講義》就是根據那些授課整理的，費曼結合了他對巴西教學生涯的反思，認為大學物理課講授的目的不應該是為考試做準備，甚至不是為學生服務於工業或者軍事做準備。他說：「我最想做的是向你們給出對於這個奇妙世界的一些欣賞，以及物理學家們看待這個世界的方式，我相信，這是現今時代里真正文化的主要部分（或許有其他學科的許多教授會反對這一點，但我相信他們是完全錯誤的）。」半個世紀前費曼的教學思想，現在聽來依然振聾發聵。

除了他的講義之外，以他的演講或訪談為基礎整理出版的《物理定律的本性》《發現的樂趣》《費曼講演錄：一個平民科學家的思想》等都是絕好的科學文化讀物，從中能體會到作為一名物理學家的費曼是如何闡釋科學定律、如何看待科學與社會之間的關係等等（註：當今的溫伯格，在這方面與費曼有些類似，可以讀讀他的《仰望蒼穹》）。

獨特的個人魅力

當然，費曼之所以成為費曼，很大程度上歸於他獨特的個人魅力。不錯，他是20世紀一流的物理學家，但若論物理學成就，他要遜色英國的狄拉克，不過他又是邦戈鼓手、繪畫愛好者、開保險柜「專家」等等，而狄拉克僅是一個標準、傳統的科學家，因此就知名度而言，狄拉克顯然遜色費曼。

費曼和狄拉克（左）在交談

（補充：網上有一句評論此照片的話，很有趣：

Feynman talking to his hero, physicist and Noble Prizer winnerPaul Dirac, one of the fathers of quantum mechanics. Dirac was a man of extremelyfew words, legendarily so, while Feynman was quite the oppiste. They made a real oddcouple. )

費曼是卓爾不群的反叛者，他直接致信美國科學院請辭院士的稱號，而且他還不止一次的請辭，結果每一次都驚擾到科學院院長親自過問，請看一封1969年6月費曼給當時科學院院長塞茲的回信，你就清楚費曼的個性了。

親愛的塞茲院長：

……我想離開國家科學院這個團體，完全是私人原因，與國家科學院或政府的作為無關，也不是你個人行政風格的問題。多年以來，我就一直想很安安靜靜的、不驚動任何人而退出這個團體，也不要引發任何的政治聯想。這純粹是我個人的因素，有點孩子氣，就是喜歡什麼、不喜歡什麼而已。請接受我的辭職。

誠摯的祝福

費曼

（摘自《費曼的手札》，湖南科學技術出版社，P133）

費曼可以在正式的晚會場合，隱去自己諾獎得主的身份，加入到樂隊中盡情演奏。他不喜歡矯揉造作，這是他真性情的流露。在與第一任妻子阿琳生活的歲月里，他是柔情的丈夫，阿琳在他們結婚前已經診斷為結核病——這在當時是不治之症，在家人的反對下他毅然與阿琳結合。婚後費曼在洛斯阿拉莫斯參加曼哈頓計劃，在奧本海默的照顧下，他把阿琳送到離實驗室不遠的一家醫院，平時就靠通信聯繫，每逢周末，費曼都驅車到醫院陪伴阿琳，直到1945年6月阿琳去世。阿琳去世一年後，費曼還給她寫過一封信，在信的末尾，費曼寫道，請原諒我沒有寄出這封信，因為我不知道你的新地址呀。

費曼在講課中

這便是費曼，一位卓爾不群、處處流露真性情的的科學家。1988年2月15日費曼因癌症去世。第二天加州理工學院的學生們在圖書館大樓上掛了一條橫幅，上面寫著：We Love You，Dick（Dick是他的昵稱）。

本文刊載於2016年第2期《百科知識》。

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