【傳奇人物】科學家理查德•費曼傳奇

FacebookPrintFont Size簡體

【新唐人2013年9月1日訊】費曼先生是美國家喻戶曉的人物,更是二十世紀最傑出、也最具影響力的科學家之一。他得過諾貝爾獎,是現代最偉大的理論物理學家之一。但他同時也可能是歷史上唯一被按摩院請去畫裸體畫、偷偷打開放著原子彈機密文件的保險箱,在巴西桑巴樂團擔任鼓手的科學家。他曾跟愛因斯坦和波爾等大師討論物理問題,也曾在賭城跟職業賭徒研究輸贏機率。

生平

理查德•菲利浦•費曼(Richard Phillips Feynman) 一九一八年五月十一日出生於紐約市皇後區小鎮Far Rockaway的一個俄羅斯移民猶太裔家庭。他的父親是麥爾維爾•阿瑟•費曼,母親是露茜爾•菲利浦。但是費曼是在長島南岸的法羅克維長大的。他有一個妹妹瓊,比他小九歲,兩個人的關係非常親密,瓊後來也成了一名物理學家。雖然麥爾維爾和露茜爾都是猶太人,但是他們對孩子的教育卻沒有狹隘偏執的宗教觀念。麥爾維爾是一八九五年和父母一起來到美國的,那時他還是個五歲的孩子。他們是白俄羅斯的明斯克人。年輕的時候他對科學產生了濃厚的興趣,可是他沒有足夠的經濟來源來實現做物理學家的夢想。幹了幾種雜活之後,他成了一個制服加工公司的業務代表。在費曼出生之前,麥爾維爾就對妻子說:「如果生個男孩子,他准能當個科學家。」為了確保自己的預言實現,他盡了最大的努力。

當兒子還坐著幼兒專用的高椅子時,麥爾維爾就買了一套浴室用的白色和藍色瓷磚。他用各種方法來擺放它們,教費曼認識形狀和簡單的算術原理。當孩子長大一點時,麥爾維爾就帶他去博物館,並且給他讀《不列顛百科全書》,然後用自己的語言耐心地解釋。後來費曼愉快地回憶道:「沒有壓力,只有可愛的、有趣的討論。」

麥爾維爾教會了費曼怎樣思考。他讓費曼設想他遇見了火星人,火星人肯定要問很多關於地球的問題。比如說,為什麼人在夜裡睡覺呢?他該怎麼回答這個問題呢?

這種培養和教導是很有好處的。年輕的費曼很快就開始自己讀《不列顛百科全書》了,他對上面的科學和數學文章尤其感興趣。他從閣樓上找到一本舊課本,於是就照著課本自學起幾何。

儘管費曼是一個智力早熟的少年,但是他卻覺得人文科學枯燥無味,他對歷史和文學毫無興趣。他認為英語的拼寫太缺乏邏輯性,所以他即使到了成年以後也不擅長拼寫。

高中畢業之後,費曼進入麻省理工學院學習,最初主修數學和電力工程,後來他在物理學中找到了最適合自己的位置。一九三九年,他以優異的成績畢業於麻省理工學院,又到普林斯頓大學念研究生。一九四二年六月,他獲得了理論物理學博士學位。

曼哈頓計劃

曼哈頓計劃是費曼研究生涯的起點。在洛斯阿拉莫斯,剛剛研究生畢業的費曼躍躍欲試,他獲得了一個難得的機會,同一批最偉大的物理學家和數學家一起工作,他們包括:奧本海默、漢斯•貝特、恩里科•費米、愛德華•泰勒,還有約翰•馮•諾伊曼。

在此之前,費曼總是跟貝特唱反調。貝特當時已經是一位知名度較高、很受尊敬的物理學家。當貝特說出一個費曼不同意的觀點時,費曼總是公開地強烈地表示反對。經過貝特耐心解釋他的推理過程,費曼才能平靜下來。可是等到下次觀點出現分歧時,這個過程又會重複一遍。貝特一點也不生氣,相反,費曼深入的思維給他留下了很好的印象,因此他對費曼產生了一種尊敬。貝特讓費曼到自己手下來工作,讓他做了計算組的組長。於是費曼成了幾位組長當中最年輕的一位。在那個時候,所有的計算都是由人工完成的,要使用對數表和笨重的機械計算器。在費曼的領導下,計算組的工作效率大幅度提高,老科學家們的工作都要依賴這些計算結果,所以他們對費曼的工作非常滿意。

讓老科學家們滿意的還有費曼那卓越的能力,他能運用邏輯來分析一切複雜問題,找出主要因素,並簡單明了地說明需要解答的關鍵問題。令他們同樣滿意的是這位年輕的科學家對物理學那富於感染力的熱情。很快,貝特就自豪地宣稱:「費曼能做任何事情,所有的事情。」奧本海默寫道:「他是這裏最才華橫溢的年輕物理學家,他有著非常吸引人的性格與個性,他是一個優秀的教師,對物理學的各個方面都有著熱烈的感情。」

戰後,貝特邀請費曼到康奈爾大學跟他一起工作,費曼愉快地接受了。

選擇加州理工學院一波三折

費曼一九五零年來到加州理工學院,在那兒從事了近四十年的研究和教學。費曼找到了他心儀的科學殿堂並在那兒落葉歸根,Caltech也因巨匠費曼成為新一代科學家(包括史蒂芬•霍金(Stephen Hawking))嚮往的地方。費曼選擇加州理工學院還有一段一波三折的趣事呢。

在康奈爾大學待了四年以後,費曼厭倦了綺色佳城冬季的氣候和小鎮的氣氛。他對那裡學術自由的環境和周圍眾多的人文學科教授也感到不舒服。於是有了跳槽的想法。

費曼想起以前曾經應巴查(Robert Bacher)教授之邀,到加州理工學院訪問過兩次。巴查與費曼有過不少交集,任職過康奈爾和MIT,並負責「曼哈頓計劃」的實驗物理。他很聰明,對費曼的性格也瞭若指掌。他說:「費曼,我這裏多一輛車,借給你。另外這是到好萊塢及日落區(距離加州理工學院僅十五哩左右)的地圖,好好享受吧。」於是費曼每晚開著他的車子到日落區–去那裡的夜總會及酒吧湊熱鬧。巴查實在很清楚如何令費曼對加州理工學院產生興趣!

不久加州理工和康奈爾為吸引費曼進行了你來我往的待遇拉鋸戰。促成費曼最後決定的,是他的教授休假年。那時他在康奈爾剛巧已到了可以休假一年的時候,想再度去巴西訪問,去十個月。於是,費曼寫信給巴查,用不願喪失休假一年權利的理由,告訴他決定留在康奈爾。巴查回信:「我們會立刻聘請你,而且你可以用你的第一年作為休假年。」因此費曼在加州理工學院的第一年(一九五零年),事實上是在巴西過的。到了第二年,他才在加州理工正式教書。

但當費曼到了加州理工還沒多久,有一天遭遇嚴重的煙霧侵襲,雙眼被薰得刺痛萬分,眼淚直流,他心裏便想:「這太瘋狂了!這是絕對的神經病!在康奈爾的時候還好好的。我要離開這裏!」於是他打電話到康奈爾,問他們他還可不可能回去。他們說:「當然可以!我們立刻著手安排,明天打電話給你。」

第二天,費曼碰到了極大的運氣,讓他做出決定(費曼注:也許上帝在幫我忙做決定)。他正在走回辦公室的路上,有個傢伙跑到他面前說:「嘿,費曼!你有沒有聽到最新發生的大事?巴德(Walter Baade)發現星球原來有兩種不同類型!我們以往計算星系和我們的距離時,原來都只是以一種造父變星(Cephid)為基準。但現在發現還有另一種,因此宇宙的年齡可能比我們想象的要老兩倍、三倍,甚至四倍!」費曼很清楚這是怎麼一回事。那時候,地球好像比宇宙還要老。根據估計,地球年齡為四十五億年,但宇宙的年齡只有二十、三十億年。這是一個很大的謎團;而這個發現把謎團解開了:重新計算之後,證明宇宙年齡比以前想象中的要老。但重點是,當時他立刻知道了這項新發現-那傢伙匆匆跑過來把第一手的消息告訴了他。

還沒穿過校園,回到他的辦公室,梅索森(Matt Meselson)又走過來了,他主修生物、副修物理,費曼曾經是他博士論文口試的委員之一。他建造了第一部「密度梯度離心機」(density gradient centrifuge),用來分離及測量分子的密度。他對費曼說:「看看我剛得到的實驗數據!」他證明了當一個細菌製造出一個新細菌時,它會把一個完整的分子傳給那個新細菌;這個分子就是DNA了。在那個發現之前,人們一直以為什麼東西都在分裂、分裂。因此大家原先也以為細菌會分裂,一半成為新細菌。但(費曼認為)那是不可能的:包含著遺傳信息的那個最小分子,不可能一分為二;它必須複製自己,把複製品給新細菌,給自己留一份。梅索森證實這個想法了。

費曼一邊走進辦公室,一邊意識到這裏才是他想待下來的地方!在這兒,科學界的各路人馬都會告訴他他們的研究成果,真是令人興奮。因此,稍後當康奈爾打電話給他,說他們已差不多全安排好的時候,費曼說:「對不起,我又改變主意了。」 他已決定,以後不用再決定去留問題了。沒有任何東西——絕對沒有——可以讓他再改變主意了。

不過,還是有人嘗試過要改變他留在加州理工的念頭。那時物理大師費米(Enrico Fermi)剛過世不久,芝加哥大學在物色替代費米的人選。他們派了兩個人來費曼家拜訪——當時費曼對他們的動機一無所知。而他們開始談論各種他應該去芝加哥的好理由:他可以做這做那,那裡有許多優秀人才,他有機會做很多事情。費曼一直沒有問他們待遇問題,而他們拚命暗示,只要他問的話,他們就會告訴他。終於,他們還是問他想不想知道薪水有多少。「唉,不!」 費曼說,「我已經決定待在加州理工。我的太太瑪麗露就在隔壁,如果她聽到薪水有那麼高時,我們又會吵起來。而且,我早已決定了不再做決定了。我要永遠留在這裏。」他不讓他們告訴他芝加哥打算給他的薪資。

過了大約一個月,在一個學術會議上,「曼哈頓計劃」少數幾位女科學家之一、高能物理領域的奠基人之一、任職于芝加哥大學的馬歇爾(Leona Marshall Libby)跑來跟費曼說:「奇怪你沒有接受芝加哥的職位。我們覺得很失望,也不明白為什麼你會拒絕這麼優厚的待遇。」費曼說:「因為我從頭到尾沒讓他們告訴我待遇如何。」

一星期後,費曼收到馬歇爾的一封信。把信打開,第一句話說:「他們提出的待遇是 — 」十分龐大的一筆數字,大概是三四倍於他原來的薪水,很驚人呢!信中繼續說:「在你讀下去之前,我就讓你知道待遇是多少。也許現在你會重新考慮,因為他們告訴我這個空缺還在,而我們都很希望你能來加入我們。」

費曼寫了封信給他們說:「知道了薪水的數目之後,我已決定必須要拒絕了。我必須拒絕這麼高的薪水,原因是如果我真的拿那種高薪,我就可以實現一切從前想做的事了——找一個很漂亮的情婦,替她找個公寓,買漂亮東西給她……用你們給我的薪水,我真的可以那樣做,但我也知道我會變成怎麼樣。我會開始擔心她在做些什麼,等我回家時又會爭吵不休,這些煩惱會使我很不舒服、很不快樂。我再沒法好好做物理,結果會一團糟!我一直都想做的事情都是對我有害無益的,我只好決定,我沒法接受你們的邀請了。」

自從一九五一年起,費曼就待在加州理工學院,而且一直都很快樂。他說:「對我這種性格的人來說,這裡是再適合也沒有了。那裡有很多頂尖的人物,他們對自己的工作很有興趣;我也很喜歡跟他們聊,因此我一直都覺得很愜意。」              

一九六五年,由於費曼在量子電動力學的成就,與朝永振一郎(Sin-Itiro Tomonaga)、施溫格(Julian Schwinger)兩人,共同獲得該年度的諾貝爾物理獎。

費曼博士為量子電動力學理論解決了不少問題,同時他首創了一個解釋液態氦超流體現象的數學理論。之後,他跟葛爾曼(Murray Gell-Mann)合作,研究弱交互作用(例如貝他衰變),做了許多奠基工作。後來數年,費曼成為發展夸克(quark)理論的關鍵人物,提出了在高能量質子對撞過程中的成子(parton)模型。

在這些重大成就之外,費曼博士把一些基本的新計算技術跟記法,介紹給了物理學。其中包括幾乎無所不在的費曼圖,因而改變了基礎物理觀念化與計算的過程,成為可能是近代科學史上,最膾炙人口的一種表述方式。

費曼也是一位非常能幹有為的教育家,在他一生所獲多得數不清的各式各樣獎賞中,他特別珍惜一九七二年獲得的厄司特杏壇獎章(Oersted Medal for Teaching)。《費曼物理學講義》一書最初發行於一九六三年,當時有位《科學美國人》雜誌的書評稱該書為「……真是難啃,但是非常營養,尤其是風味絕佳,為二十五年來僅見!是教師及最優秀入門學生的指南。」為了增長一般民眾的物理知識,費曼博士寫了一本《物理之美》(The Character of Physical Law)以及《量子電動力學》(Q.E.D.: The Strange Theory of Light and Matter)。他還寫下一些專精的論著,成為後來物理學研究者與學生的標準參考資料跟教科書。

費曼還是一位建設性的公眾人物。幾乎家喻戶曉他參與「挑戰者號」太空梭失事調查工作的事跡,尤其是他當眾證明橡皮墊圈不耐低溫的那一幕,是一場非常優雅的即席實驗示範,而他所使用的道具不過冰水一杯!比較鮮為人知的事例,是費曼博士於一九六零年代中,在加州大學課程委員會參與教科書評選工作,他對當時教科書之庸俗平凡非常不滿,因此在這個工作上他做了很多努力。

廣泛的興趣

費曼除了熱衷本業的物理科學研究之外,其實是個有趣的性情中人。例如他會去上空酒吧,和許多歌舞女郎熟識,而他卻是叫杯柳橙汁,找張桌子坐下,就以杯墊或紙巾開始他的物理或數學研究。費曼也曾把時間花在修理收音機、開保險櫃、畫畫、跳舞、表演森巴小鼓、甚至試圖翻譯馬雅古文明的象形文字上。他永遠對周圍的世界感到好奇,是位一切都要積極嘗試的模範人物。他四十四歲時開始學畫,而且一直勤畫不輟並在美術館展覽,卻又怕人家知道是他畫的,而在畫上籤上另一個名字。有位凱薩琳小姐是他長期的模特兒,他們每周抽出一個晚上畫畫三小時,持續了二十年,兩人有很親密的關係,卻沒有過肌膚之親。他學開保險柜成了「神偷」;玩邦戈小鼓使他的舞團得到美國第一、巴黎第二;研究馬雅古文明的象形文字,達到能鑒別古抄本的水平;休假時做的生物研究,幾乎可以帶來現代遺傳學的下一個突破。

費曼是個有前瞻眼光的天才。一九五九年十二月二十九日費曼在加州理工學院的美國物理學會發表著名的演講「在底層還有很多的空間」(There’s Plenty of Room at the Bottom),他預言人類將設計製造出極微小的元件和機器,足以把整部《大英百科全書》印製到一個針尖上,可以把物體的尺寸以驚人的幅度大大的縮小,這種技術足以發展出一個新研究領域,也就是這幾年紅透半邊天的納米技術(nano technology)。費曼也因為預見了四十年後的新技術,而被稱為「納米科技之父」。他晚年對電腦的的貢獻,也許不久就可以看到成果。費曼討論過「根據量子力學, 電腦可以做到多小;計算時所牽涉的熵和測不準原理的影響」。現在媒體已在報導量子力學電腦的浮現。

面對大師

費曼還是研究生的時候,老師要他做生平第一次學術報告。他發現,當時最偉大的數學家von Neumann,最刻薄的物理學家包立(Pauli)和愛因斯坦都會出席。演講前,他雙手不住發抖。但奇蹟出現了,類似的奇蹟一再發生,就是只要他專心思考物理,腦中就無雜念,就不會緊張。因此開始報告後,他根本不知道聽眾是誰。他只是在說明物理,簡單極了。

製造原子彈時,波耳找他談話,費曼受寵若驚又忐忑不安,被眾人敬若神明的波耳找他這無名小卒幹什麼?但費曼緊張卻不脫誠實,仍實話實說。

波耳:「這樣這樣可以嗎?」

費曼:「不行,因為會如何如何。」

波耳:「那樣那樣呢?」

費曼:「好一點,但有個大漏洞。」

爭論結束,波耳才去找別人一起商量。

費曼後來知道,波耳單獨找他,因為只有他不怕大名鼎鼎的波耳:「只有費曼才會指出我的錯。下次有問題時,找只會說『是的,Dr. Bohr』的人是不行的。先得和那小子談談。」

刻骨銘心的愛情

費曼在他念高中時認識了第一任妻子亞琳(Arline Greenbaum);亞琳長得氣質漂亮深得人緣,是當時男女生聚會玩樂時眾人的焦點,費曼自然也被吸引。他得知亞琳喜歡藝術,就也去報名參加她的藝術班,一起上課吸引她的注意,而進一步熟識。

一張紙也可能只有一面?

他跟阿琳都是那一種很在乎自己的感覺,自己想什麽、不去介意別人的人。他倆常喜歡辯論,有一次他跟阿琳辯論,阿琳就跟他說我們老師說,像一張紙一樣所有的事情都有兩面,費曼就說不見得,有時候一張紙只有一面,那阿琳說怎麽回事呢?他就做了一張,費曼就把它折過來貼在一起,就是黑面貼白面,貼成之後就會像一個像這樣子的成為一個面(這就是莫比爾斯環Mobius Band),從白色的部分一直走…走到最後你會走到黑色的部分,黑色部分再繼續走…走到最後會走到白色的部分,所以他證明跟阿琳說一件事情也可能只有一面,一張紙也可能只有一面,然後阿琳就很高興,拿回去跟大學的老師說你說錯了,費曼就靠這個追到他的第一任的老婆阿琳,因為阿琳覺得你跟我是同類的人,我們有一種秘密的語言。

當費曼在MIT念大學時,他們倆人已經是一對相愛的戀人,並且互相承諾等他大學畢業后就結婚。天有不測風雲,當亞琳被確證為淋巴腺結核只有七年的存活期后,費曼堅持實踐對愛情與婚姻的承諾。此時他正要接受徵召參与「曼哈頓計劃」(Manhattan Project,美國陸軍部於一九四二年六月開始實施的利用核裂變反應來研製原子彈的計劃),他們很快做好了安排,去公證結婚,並且在普林斯頓附近居住。費曼一邊工作用收入支付亞琳的醫藥費,一邊繼續他的學業。不久費曼到新墨西哥州的Los Alamos國家實驗室參与原子彈的製造,頗有人情味的「曼哈頓計劃」實驗室主任歐本海默(J. Robert Oppenheimer)幫忙安排亞琳在Albuquerque市的醫院療養,兩地相距一百英哩,他們倆人開始過著「周末夫妻」的生活。周五晚上費曼就搭便車到城裡醫院陪亞琳,周日再回實驗室上班,如此過了他們九年的快樂時光。

亞琳是個聰明善體人意又會玩花樣的人。在如同坐監的療養生活中,她做了不少令費曼啼笑皆非,(卻也很合他的風格)的事。例如買了全套烤肉用具及衣服,要費曼陪她在醫院外的大馬路邊生火烤肉。在費曼生日那天印製「全國熱烈慶祝費曼生日」的報紙,分派到他工作地點每個同僚的信箱內;訂製刻有「親愛的理查德,我愛你!(Richard darling I love you! )」金色字樣的鉛筆。費曼不好意思使用,用小刀把字跡刮掉,卻在亞琳的抗議下不得不使用。

他倆充分利用無多的余日,過著令人稱羡又心酸的婚姻生活。終於亞琳的身體漸漸衰弱,在病危之際,費曼匆匆由Los Alamos趕來陪伴她,看著她嚥下最後一口氣(一九四五年六月十六日)。事後費曼對他妹妹說「我們無法白頭偕老,卻擁有九年時光,這隻是時間長短不同,我們擁有最美好的時光」。

費曼對亞琳戀戀情深,在她過世后兩年,費曼曾寫了一封深情的信給她:

親愛的亞琳……

你一定會覺得我很傻,一定希望我把你忘了,去追求幸福。但你絕對想不到,兩年來,我還沒交過任何女朋友(除了你,甜心)。這也是沒辦法的事,我曾遇過許多不錯的女孩,也不想再過孤單的生活。但我和她們約會過幾次后,就覺得索然無味了。能讓我念念不忘的,只有你一個人。

我心愛的妻子

我愛我死去的太太

附言:請原諒我沒有寄出這封信──我沒有你的新地址。

費曼於一九八八年二月十五日因腎癌與世長辭,終年六十九歲。他留下的最後一句話是:「這樣死真無聊(This dying is boring)。」他去世后的第二天,學生們在加州理工學院十層高的圖書館頂樓掛起一條橫幅,上面寫著:「我們愛你,迪克!(「理查德」的昵稱)We love you Dick!」 九泉之下,理查德•費曼對這句質樸的悼詞一定會感到滿意和感動的。

附:

【神奇的莫比烏斯環】(Mobius band)  

莫比烏斯(Mobius)是一位德國教師,西元一七九零年出生,一八六八年去世。他提出了一種很特別的數學性質,這項數學性質就以他的名字來命名,稱為「莫比烏斯環」。「莫比烏斯環」最特殊的性質就是:它只有單面,沒有內外。這個性質聽起來很不可思議,不妨自己動手做做看。

製作的方法如下:拿一條大約四十公分長,三公分寬的紙條,將紙條的兩端接在一起,形成一個紙環,但是先不要黏貼。接著,把紙條的一端扭轉一百八十度,再用膠水把紙條的兩端黏起來,這樣,就可以做出一個莫比烏斯環了。你可以拿出一枝彩色筆,從莫比烏斯環上的某一點出發,沿著環面一直畫下去,不要讓彩色筆離開紙面(代表彩色筆都在同一面上移動),最後可以發現,彩色筆又回到了原本的起點。這就說明了:莫比烏斯環真的只有一面!

莫比烏斯環的發明,為人類的生活帶來了很大的方便。傳統點陣式電腦報表列印機或上班打卡機(列印時會發出嘎!嘎!嘎!的聲音)的印表色帶,如果用一般的接合方式,色帶只能用一面;以莫比烏斯環方式接合的色帶,兩面都能派上用場呢!還有工程用的滑輪也是採用這種方式連接,這樣不但皮帶兩面的耗損比較平均,也可以延長使用壽命哦!

問題:在莫比烏斯環的中間(最好是相當於紙環寬度的一半),沿著環帶畫線,讓它回到原點,再拿一把剪刀,沿著你畫的這條線把紙環剪開,看看會產生什麼結果?做做看,你將會有驚人的發現哦!

原題目;費曼,科學奇人和紅塵情聖(有刪節)

文章來源:pengl的空間- 珍珠灣全球網

相關文章
評論