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[科教] 费曼 一个真性情的“挑战者”

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发表于 11-25-2016 11:43 AM | 显示全部楼层 |阅读模式

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如果你是一位《生活大爆炸》粉丝的话,对下面谢耳朵与佩妮讨论粒子物理学的场景一定不陌生。在画面的白板上,有三个奇怪的图像,那便是大名鼎鼎的费曼图。《生活大爆炸》多次以费曼为话题,一方面是因为费曼在物理学界的影响,另一方面因为该剧的背景地是加州理工学院,它是费曼1951年之后的执教地。费曼是20世纪一位极具才华、极富个性的科学家,让我们从他晚年参与调查的“挑战者”号事故开始吧。

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图1 佩妮和谢耳朵在讨论粒子物理学

一、调查“挑战者”号事故

1986年1月28日上午11时39分,在美国佛罗里达州肯尼迪航天中心腾空而起的“挑战者”号航天飞机升空73秒后,突然发生爆炸,机上7名宇航员全部遇难。事发之后,美国宇航局(NASA)成立了一个事故调查委员会,当时在加州理工学院任教的费曼被邀成为调查委员会的一员。在调查过程中,费曼发现助推火箭上的一个O形环有烧焦痕迹,因此怀疑火箭燃料燃烧时从那里发生了燃料泄漏,从而引发了整个事故。同时费曼了解到,航天飞机发射当天,地面温度是零下3-4度,远低于通常的12度,费曼认为事故的罪魁祸首就是这个O形环。随后在一次面向公众的电视直播会议上,费曼以他一贯简洁、清晰展示科学原理的风格说明了O形环的问题所在,他在现场只用了三件道具,同样的O形橡胶密封环,一把尖嘴钳,一杯冰水。他用尖嘴钳把O形环夹变形了一些,之后置于冰水杯中,一会他又取出来向公众展示,O形环没有恢复变形。

整个展示不过几分钟,却说明了事故的真相,正是O形橡胶环在低温下丧失了膨胀性,导致燃料泄漏引发了爆炸。科学家都崇尚简单、厌恶繁文缛节,但是像费曼这样身体力行,一生致力于简洁化的科学思想、方法,并倾注大量心血于科学教育的,绝无仅有。他卓越的科学成就,独特的科学教育方式以及迷人的个性使得他成为家喻户晓的明星科学家。


善于抓住事物的本质,这是费曼小时候从父亲那里得到的教诲。一次在林中散步,父子一起观察一些鸟雀,父亲告诉他,如果你知道了这种鸟雀的名字,哪怕是许多种语言的名字,都无助于加深对鸟的理解,只有通过观察鸟的行为才能去认识它。这些话影响了费曼一生,他对哲学家在概念上的纠缠很不屑,认为自然界不会满足哲学家那些先入为主的见解。有人问他,如果用一句话概括出现代科学最基本的观点,费曼回答说:一切物质都是由原子构成的。

二、简洁的科学理论

费曼由于在量子电动力学上的贡献和施温格、朝永振一郎分享了1965年诺贝尔物理学奖。他们三人其实是用不同的方法创建了量子电动力学,这种现象在科学史上倒不罕见,17世纪时牛顿和莱布尼茨就各自独立发明了微积分,1920年代海森堡和薛定谔也各自创建了量子力学。但是在他们三人中,费曼的方法最直观、最形象,这也是他一贯简洁风格的体现。其中用到的费曼图,就是一种符号化的物理语言,比如反映物理学中康普顿效应(光子和电子相互作用)的费曼图为:

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图2 费曼图表示的康普顿效应

实线代表电子,波纹线代表光子,顶点表示作用,费曼图不仅有鲜明的物理含义,而且具有严格的数学含义,可以说每一幅费曼图就是一个数学表达式。上述费曼图表示的物理含义是,光子与原子中的电子发生弹性碰撞,碰撞后光子损失能量,改变其运动方向,而电子获得能量从原子中飞出。


费曼的好友、物理学家戴森回忆说,“当费曼看不懂正统教科书中的量子力学时,他只好从头开始发明了一套自己能看得懂的量子力学……我用正统方法所做的计算,花了我几个月的时间,写了几百张纸;费曼却可以在黑板上,花半个小时就得到几乎相同的答案。”这从侧面也反映了费曼创造简洁科学理论的天分。

三、身体力行于科学教育

费曼对科学教育界产生了难以估量的影响,其中最宝贵的礼物应当是著名的三卷本《费曼物理学讲义》,有人认为它是迄今最好的大学物理学教材。费曼早年参加了制造原子弹的曼哈顿工程,二战结束后他到了康奈尔大学任教,1949年到1951年,他应邀到巴西给大学生讲授了10个月(非连续的)的物理课,那里的学生都喜欢背诵,却不知道自己在背什么。返回美国后,费曼到了加州理工学院,但他一直没有给低年级的大学生讲过物理课,直到1961年秋季学校有一项物理教育改革项目,他在同事的推荐下答应给低年级大学生讲授两年物理课。《费曼物理学讲义》就是根据那些授课整理的,费曼结合了他对巴西教学生涯的反思,认为大学物理课讲授的目的不应该是为考试做准备,甚至不是为学生服务于工业或者军事做准备。他说,“我最想做的是向你们给出对于这个奇妙世界的一些欣赏,以及物理学家们看待这个世界的方式,我相信,这是现今时代里真正文化的主要部分(或许有其他学科的许多教授会反对这一点,但我相信他们是完全错误的)。”半个世纪前费曼的教学思想,现在听来依然振聋发聩。

除了他的讲义之外,以他的演讲或访谈为基础整理出版的《物理定律的本性》、《发现的乐趣》、《费曼讲演录:一个平民科学家的思想》等都是绝好的科学文化读物,从中能体会到作为一名物理学家的费曼是如何阐释科学定律、如何看待科学与社会之间的关系等等(注:当今的温伯格,在这方面与费曼有些类似,可以读读他的《仰望苍穹》)。

四、独特的个人魅力

当然,费曼之所以成为费曼,很大程度上归于他独特的个人魅力。不错,他是20世纪一流的物理学家,但若论物理学成就,他要逊色英国的狄拉克,不过他又是邦戈鼓手、绘画爱好者、开保险柜“专家”等等,而狄拉克仅是一个标准、传统的科学家,因此就知名度而言,狄拉克显然逊色费曼。

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图3 费曼和狄拉克(左)在交谈


(补充:网上有一句评论此照片的话,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 odd couple. )

费曼是卓尔不群的反叛者,他直接致信美国科学院请辞院士的称号,而且他还不止一次的请辞,结果每一次都惊扰到科学院院长亲自过问,请看一封1969年6月费曼给当时科学院院长塞兹的回信,你就清楚费曼的个性了。

亲爱的塞兹院长:

……我想离开国家科学院这个团体,完全是私人原因,与国家科学院或政府的作为无关,也不是你个人行政风格的问题。多年以来,我就一直想很安安静静的、不惊动任何人而退出这个团体,也不要引发任何的政治联想。这纯粹是我个人的因素,有点孩子气,就是喜欢什么、不喜欢什么而已。请接收我的辞职。

诚挚的祝福

费曼

(按:摘自《费曼的手札》,湖南科学技术出版社,P133)

费曼可以在正式的晚会场合,隐去自己诺奖得主的身份,加入到乐队中尽情演奏。他不喜欢矫揉造作,这是他真性情的流露。在与第一任妻子阿琳生活的岁月里,他是柔情的丈夫,阿琳在他们结婚前已经诊断为结核病——这在当时是不治之症,在家人的反对下他毅然与阿琳结合。婚后费曼在洛斯阿拉莫斯参加曼哈顿计划,在奥本海默的照顾下,他把阿琳送到离实验室不远的一家医院,平时就靠通信联系,每逢周末,费曼都驱车到医院陪伴阿琳,直到1945年6月阿琳去世。阿琳去世一年后,费曼还给她写过一封信,在信的末尾,费曼写道,请原谅我没有寄出这封信,因为我不知道你的新地址呀。

这便是费曼,一位卓尔不群、处处流露真性情的的科学家。1988年2月15日费曼因癌症去世。第二天加州理工学院的学生们在图书馆大楼上挂了一条横幅,上面写着:We Love You,Dick(Dick是他的昵称)。

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图4 费曼在讲课中

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发表于 11-25-2016 01:30 PM | 显示全部楼层
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发表于 11-26-2016 01:23 AM | 显示全部楼层
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