理查德·菲利普斯·费曼(
1918年西班牙大流感5月11日-1988年2月15日),原名Richard Phillips Feynman,20世纪伟大的理论物理学家,美籍犹太裔物理学家教授,
美国国家科学院院士,1965年诺贝尔物理学奖获得者。以对量子力学的
路径积分表述、量子电动力学、过冷
液氦的超流性以及粒子物理学中部分子模型的研究闻名于世。
费曼于1918年5月11日出生于
纽约皇后区,1935年进入
麻省理工学院学习,最初主修数学和电力工程,后转修物理学。1939年,从麻省理工学院本科毕业,并被任命为普特南研究员(Putnam Fellow),之后参加
普林斯顿大学物理学研究生入学考试,并取得满分;9月,进入普林斯顿大学就读研究生,1942年毕业,获得理论物理学博士学位。1942年,24岁的费曼加入美国
原子弹研究项目小组,参与著名研制原子弹的秘密项目“
曼哈顿计划”。1946年费曼进入
康奈尔大学任教。1951年费曼转入
加州理工学院,加州理工学院把他的一系列讲座内容收集在一起,出版《
费曼物理学讲义》,影响巨大,费曼也因其巨大影响力被称做“老师的老师”。1965年,因在量子电动力学方面的成果,费曼与
施温格(Julian.Schwinger)、
朝永振一郎一同获得
诺贝尔物理学奖。1986年,费曼受命调查
挑战者号航天飞机失事原因,指出失事的根本原因是橡胶在低温下失去弹性,这一观点对最终事故原因的确定起到了关键作用。1988年2月15日,费曼因
腹膜癌在
洛杉矶逝世,终年69岁。
费曼是推动近代量子力学发展的重要物理学家。他发展了用路径积分表达量子振幅的方法,提出量子电动力学新的理论形式、计算方法和重正化方法。
量子场论中的“费曼振幅”“费曼传播子”“费曼规则”等均以他的姓氏命名。除了
量子电动力学方面的卓越贡献,费曼还建立了解决液态氦超流体现象(parton model)的数学理论。他对物理学的贡献不仅限于量子力学,还扩展到许多其他领域,包括超冷物质、纳米技术和
计算机科学,同时被称为“纳米技术之父”。此外,著名的“
费曼学习法”也产生了巨大的影响。费曼撰写的《量子电动力学》《量子力学的路径积分》等专著在物理学界具有重要地位。1999 年,
英国《物理世界》杂志对全球 130 名顶尖物理学家进行了一项民意调查,费曼被评为有史以来第七位最伟大的物理学家。
人物生平
童年生活的启迪
1918年5月11日,理查德·费曼出生于
纽约皇后区法洛克卫小镇的一个犹太家庭,在
长岛南岸的法罗克维长大。费曼的父亲麦尔维尔·阿瑟·费曼坚持对小费曼的耐心积极的教育,他对小费曼的启蒙花了很多心思,采用了新进的开放式教育,在生活和游戏当中培养了费曼的好奇心、求知欲、发现问题和解决问题的能力。在费曼还很小的时候父亲就教他认识数字和图形,随着费曼的成长父亲还一直培养他细心观察的习惯。除了观察与思考的习惯,良好的
家庭教育也帮助小费曼培养了动手实践的能力。费曼十一二岁的时候就在家里设立了自己的“实验室”。所谓的“实验室”其实非常简易,就是在一个旧木箱内装上隔板,放上一个电热盘、一个
蓄电池、一个灯座等极为简单的“实验设备”。家庭教育不仅帮助费曼在科学上启蒙,还在潜移默化当中影响了他的性格。费曼的父亲是一名做制服的商人,他给许多官员做过官服,看过很多人穿着官服和脱去官服的样子,知道体面的外表不过是包装罢了。费曼深受父亲的影响,不贪慕名利、不畏惧权贵,这种耿直的性格贯穿了费曼的一生。聪颖的天资与良好的
家庭教育,为费曼日后的成就奠定了基础,也使他的天赋早早地就展现出来,从小便取得优异的学习成绩。
天才的青年时代
费曼在15岁时,便发觉中学课程中甚少有让他感兴趣的科目,于是自学了
代数、三角学、解析几何以及微积分。1935年,费曼以优异的成绩考入
麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)学习,最初主修数学和电力工程,后转修物理学。费曼的科研能力在大二时就已得到认可。除物理学外,费曼还涉猎了
化学和冶金学课程。1939年,他在《物理学评论》上发表了一篇关于宇宙线的论文这其中的一个
量子力学计算方法同时也被另一个研究者
赫尔曼独立发现称为赫尔曼—费曼
定理。同年,费曼从麻省理工学院本科毕业,并被任命为普特南研究员(Putnam Fellow),之后参加
普林斯顿大学物理学研究生入学考试,并取得了满分;9月,进入普林斯顿大学就读研究生 ,导师是
约翰·惠勒(John Archibald Wheeler),致力于研究量子力学的疑难问题:发散困难。1942年6月,费曼从普林斯顿大学毕业,获得理论物理学博士学位,他在博士论文《量子力学中的最小作用原理(The Principle of Least Action in Quantum Mechanics)》中指出传统理论无法完全描述量子系统,而最小作用原理可能提供了更为简洁和全面的解释,这篇论文奠定了年轻的费曼在理论物理领域的卓越地位,也为后来的研究者提供了宝贵的思想和工具。同年,年仅24岁的费曼被招募作为
普林斯顿大学的美国
原子弹项目职员,进入洛斯·阿拉莫斯国家试验室(Los Alamos National Laboratory),作为最年轻的科学家,参加了著名的“
曼哈顿计划”,理查德·费曼是曼哈顿计划天才小组成员之一,为原子弹的研制做出了重要贡献 。1945年7月16日,费曼在
新墨西哥州阿拉莫戈多观看了世界第一颗原子弹的爆炸,验收了曼哈顿计划的成果。年仅二十余岁的费曼,已然在物理学领域取得了巨大的成果。
成就卓越的教学研究生涯
费曼对于物理的热爱毋庸置疑,对于教学的严谨性也一直很较真。费曼摒弃了原本枯燥无味的教学方式,而是以幽默风趣的演绎方式,将物理知识传输给学生。1945年,27岁的费曼进入
康奈尔大学任教;1949年,费曼曾受邀去巴西演讲,探讨的主题就是“巴西教育”,即使作为客人,他也毫不犹豫地指出了巴西教育的弊端。费曼认为,巴西的物理教科书过于刻板,只有专业名词的描述,没有和实际生活联系起来进行分析,孩子就无法正确掌握物理知识的核心。这也体现了日后著名的“费曼学习法”的精神。1951年,费曼转入
加州理工学院任教,担任客座教授(Visiting Professor),“理查德·托尔曼理论物理学教授”一职,并在此执教一生。1954年,费曼当选为
美国国家科学院院士。1959年,担任加州理工学院理论物理学教授(Professor of Theoretical Physics),并做了一次的演讲《下面的地方还大着呢》,指出了纳米科技的巨大潜力。1961年9月—1963年5月,在加州理工学院讲授《大学初等物理》课程,录音在同事帮助下整理编辑为《费曼物理学讲义》。1965年,因在
量子电动力学方面的成果,费曼与
施温格(Julian.Schwinger)、
朝永振一郎一同获得
诺贝尔物理学奖。1982 年,他提出了
量子计算机的概念,想利用量子体系的特性突破经典计算的极限。晚年的费曼已然为社会与世界贡献着自己的智慧。1986年,
挑战者号航天飞机失事后,理查德·费曼受委托调查失事原因,他做了O型环演示实验,只用一杯冰水和一只橡皮环,就在
美国国会向公众揭示了挑战者失事的根本原因——低温下橡胶失去弹性。
逝世
1988年2月15日,费曼因
腹膜癌在
洛杉矶逝世,终年69岁。他留下的最后一句话为“我讨厌死去两次。这太无聊了。”他的遗产永远不会被遗忘。他的科学贡献、教育理念和思维方式继续影响着科学家、学生和思考者。费曼奠定了现代物理学的基石,同时也将科学传播和教育提升到了一个新的水平。
人物关系
费曼与艾琳
理查德·费曼和初婚妻子艾琳·格林鲍姆从高中时候就开始相恋,在理查德离开家乡去上大学的时候,两人互相倾诉,彼此眷恋。在费曼读大学期间,艾琳也在纽约成了一名修习美术的学生。而在晚上,她还要去教人弹钢琴,好挣得自己日间的学费。这种双重劳累的生活,无情地透支着她的健康。经过活体检验,艾琳被证实患上了“
淋巴结结核”。这种病在当时说来是一种不治之症,一般只能再活四五年。1942年春天,费曼一通过了
博士论文,不顾家人朋友的反对,义无反顾地向他的家庭宣布,他要同艾琳结婚。1943年春天,
普林斯顿大学的科学家们被转移到
洛斯阿拉莫斯的实验室,“
曼哈顿计划”项目主持人
罗伯特·奥本海默在洛斯阿拉莫斯以北60英里的
阿尔伯克基找了一所医院,让阿琳住在那里,这样她的丈夫就可以安心工作。每逢周末,费曼便赶往医院看望艾琳。为了避过安全人员的检查,他们为自己的书信设计了一套特殊的密码。1945年6月16日,在他们结婚3周年纪念日即将到来之际,不堪病痛的艾琳离开了人世,年仅25岁。当时正在参与“曼哈顿计划的费曼随即回到洛萨拉莫斯,他不知道怎样面对众多的同事,只是对他们简单地说:“她去世了。而任务进行得怎样了?”他们都明白他不想沉浸在悲痛之中,便如常地继续工作。 艾琳逝世16个月后,费曼给亡妻写了一封感人至深的情书。1988年,费曼逝世之后,这封信才重见天日。在信的结尾,费曼写道:“请原谅我没有寄出这封信——我不知道你的新地址啊。” 后来,费曼和艾琳的爱情故事被拍成电影《情深我心》(Infinity),感动无数世人。
人物事件
费曼与曼哈顿计划
费曼在
普林斯顿大学读博士的时候正值
第二次世界大战,美国虽然说迟迟没有参战,但是战争的氛围已经弥漫到了整个国家,美国也开始着手备战。因为考虑到希特勒极有可能正在搞
原子弹,所以美国方面十分急迫地开启了研发原子弹的曼哈顿计划,并且想要吸纳物理学家参与到研发过程当中。1943年,美国陆军的一位将军跑到普林斯顿招揽人才,费曼成功入选,进入了洛斯·阿拉莫斯国家实验室,成为了曼哈顿计划天才小组的成员。曼哈顿计划期间,费曼的学术水平得到了认可,1943年后,费曼加入
罗伯特·奥本海默的
洛斯阿拉莫斯实验室,被分配到理论部门管理计算小组。在此期间,费曼发明了贝特-费曼公式来计算裂变炸弹的当量并协助建立使用打孔卡的
计算机,之后被派往
田纳西州橡树岭的克林顿工程师工厂负责核材料的储存安全工作。他很快在学术圈里有了名气,
第二次世界大战还没结束他就已经炙手可热,很多科研机构都想请他过去。战争结束之后,物理学家
贝特教授,推荐费曼去
康奈尔大学当教授。
餐碟与诺贝尔奖
费曼到了康奈尔大学后,有一次在餐厅看到一 些人在耍盘子,餐碟在空中边飞边摆动,边缘上的校徽转动的速度比碟子转动得快。费曼在闲暇之时就思考,碟子为什么会有如此的运动。费曼还将他的这些思考跟好友贝特进行交流. 后来,费曼在推算盘子转动的方程式时,联系到电子轨道在
相对论发生作用的情况中会如何运动,接着是电动力学里的狄拉克方程式,再接下来是
量子电动力学等等。费曼回忆时说:“我还来不及细想究竟怎么回事,就好像打开瓶盖一样,所有东西都毫无阻塞地流出来。后来我获得
诺贝尔奖的原因——
费曼图以及其他的研 究——全都来自那天我把时光‘浪费’在一个转动的餐碟上!”
费曼揭秘挑战者号失事原因
1986年1月28日,美国挑战者号航天飞机升空后,因其右侧固体火箭助推器的O型环密封圈失效,毗邻的外部燃料舱在泄漏出的火焰的高温烧灼下结构失效,使高速飞行中的航天飞机在空气阻力的作用下于发射后的第73秒解体,机上7名宇航员全部罹难。灾难的发生令全世界震惊,美国总统
隆纳•威尔森•雷根立即委派前国务卿罗杰斯对事故进行调查。调查团成员包括宇航员
尼尔·阿姆斯特朗、赖德,以及费曼。当时费曼已经68岁高龄,距离自己的人生终点只有两年时间。经过调查,费曼将问题锁定在火箭助推器的O型环密封圈。该O型环为橡胶材料,具有一定膨胀性,以便在挑战者号发射时为火箭脆弱的接合处提供密封功能,防止高温气体接触燃料箱。在调查公开会议现场,费曼用一个非常简单的实验作了说明:他将连接件模型上的O型环稍作挤压后置入冰水一段时间后取出,并说道:“我发现,从冰水里拿出的O型环材料没有恢复原形。换句话说,有好几秒钟时间,它受低温影响,失去了膨胀性,尤其在气温为 (华氏) 32度的时候。我认为这对我们正在讨论的问题有直接的影响。”就这样,费曼揭秘了挑战者号失事的根本原因。
科研成就
量子电动力学
量子电动力学(简称QED)是描述包含光(光子)和带电粒子,特别是光子和
电子的所有相互作用的理论。由于原子之间的相互作用取决于电子在
原子核周围的电子云中的分布,这就意味着,除了别的学科之外,QED是所有化学过程的基础。实际上,对于日常世界,QED能解释
引力未能解释的所有其他现象。这项研究主要关注
电磁场与带电粒子之间的相互作用。在20世纪40年代,费曼提出了一个革命性的理论,即光子与带电粒子之间的相互作用可以通过交换光子来描述。这一理论为理解电磁场与物质之间的相互作用提供了新的视角,并为后来的许多研究提供了基础。费曼对
量子电动力学的巨大贡献突出体现在他在费曼规则和路径积分、
费曼图等创造性发展上。通过不断的实验与研究,费曼得出了量子电动力学的成功理论形式,这种理论形式还被推广到其他
量子场论理论,以费曼
传播子、费曼规则、费曼图的形式 广泛存在于现在所有量子场论理论之中。
费曼路径积分与费曼图
理查德·费曼于20世纪40年代发展了用路径积分表达量子振幅的方法,并于1948年提出量子电动力学新的理论形式、计算方法和重正化方法,从而避免了量子电动力学中的
发散困难。费曼图表是费曼在二十世纪四十年代末首先提出,用于表述场与场间的相互作用,可以简明扼要地体现出过程的本质,它改变了把物理过程概念化和数学化的处理方式。费曼发现,一些非常奇异的、违背
牛顿运动定律的路径的那些数值,通常会相互抵消,总和很小。这其实也就是量子波动的起源,即代表它们的路径总和很小,概率也最小。他同时发现,通常意义的、符合牛顿运动定律的路径不相互抵消,因此总和最大,即它是具有最大概率的路径。因此,费曼认为,我们通常了解的
宇宙只是无数个状态中概率最大的状态,但是,宇宙所有可能的状态与我们共存,有些状态甚至能将我们带到宇宙的边缘,但幸亏它们的概率很低。费曼路径积分表明
量子力学是基于传统的
约瑟夫·拉格朗日法却能用点和线来衡量不同的路径。经典力学中的最短路径原理来源于数学近似也就是人们所知道的稳定相近似法。费曼路径积分有很多的含义,其中最大的意义是你可以用
不变式的其中一种来构想量子力学理论而不是用洛伦兹不
变性几乎不出现的正则交换方法。理查德·费曼不受已有的
的
波函数和
海森伯格的矩阵这两种方法的限制,独立地提出用跃迁振幅的空间—时间描述来处理几率问题。他以几率振幅叠加的基本假设为出发点,运用作用量的表达形式,对从一个空间—时间点到另一个空间—时间点的所有可能路径的振幅求和。这一方法简单明了,成了第三种
量子力学的表述法 。可以毫不夸张地说,到目前为止,它是最强大的、最便利的描述量子理论的方法。
液态氦超流体数学理论
理查德·费曼建立了解决液态氦超流体现象的数学理论。20世纪50年代,最具诱惑力的谜团在低温物理领域。1938年,
苏联物理学家
卡皮查发现了液态氦在接近
绝对零度的温度下会变成超流体。在卡皮察发现这一现象15年后,对超流体的解释仍是著名的未解之谜。超流体是一种奇妙的物质状态。超流体状态的物质一旦动起来就会一直流动,永不减速。费曼接受了挑战并建立了一个基于历史求和计算方法的超流体理论。他指出
超流体状态是液体历史求和的自然结果,前提是你必须考虑到所有氦
原子都是一模一样的。因为氦原子是完全相同的,所以你必须把所有历史加在一起,包括原子以所有可能方式互换和排列的结果。费曼用一种简单的方式证明液体的运动将会使其自身成为涡流,只要没有外界干扰,它就会永远持续旋转。这个理论解释了为什么液体会是
超流态。费曼确立了这个理论后,
加州理工学院用新实验详细地验证,结果证实理论是正确的。他和
默里·盖尔曼在弱相互作用领域,比如β衰变方面,做了一些奠基性工作。费曼通过提出高能质子碰撞过程的层子模型,在夸克理论的发展中起了重要作用。
赫尔曼-费曼定理
在1937和1939年,赫尔曼和费曼分别指出,在玻恩-奥本海默近似下,分子中作用在某个
原子核上的力等于分子的
电子能量E(r)对这个核坐标的
梯度的负值,按照这个
定理,只要计算出E(r),通过求其梯度就可以得到作用在各个原子核上的力,而不必采用求平均值的办法。这条定理可以帮助人们了解电子在
化学成键中的作用。对双原子分子,应用
赫尔曼费因曼定理,可以导出作用于原子核上的力与电子密度分布间的关系,进而可以把空间分为两个区域:成键区和反键区。在成键区出现的电子,起着把两个原子核拉向一起的成键作用;而在反键区出现的电子,起着把两个核分开的作用。这给出了一种清晰的图象,指示出
电子在化学成键中的作用,是量子化学研究的重要成果。理查德·费曼本科期间在《物理评论(Physical Review)》上发表了两篇论文,其中一篇是与曼努埃尔·巴亚尔塔(Manuel Vallarta)共同撰写的,题为“银河系
恒星对宇宙射线的散射(The Scattering of Cosmic Rays by the Stars of a Galaxy)”。另一篇是他的毕业论文,关于“分子中的力(Forces in Molecules)”,基于约翰·斯莱特(John C. Slater)的一个想法,后来该公式被称为赫尔曼—费曼
定理。
出版著作
《费曼物理学讲义》
《
费曼物理学讲义》根据费曼在1961年9月至1963年5月在
加州理工学院讲课录音整理编辑成书。20世纪60年代初,
美国一些
理工科大学鉴于当时的大学基础物理教学与现代科学技术的发展不相适应,纷纷试行教学改革,加利福尼亚理工学院就是其中之一。该校于1961年9月至 1963年5月特请费曼主讲一二年级的基础物理课,事后又根据讲课录音编辑出版了《费恩曼物理学讲义》。该讲义共分三卷,第1卷包括力学、
相对论、光学、气体分子动理论、热力学、波等,第2卷主要是电磁学,第3卷是
量子力学。
全书对基本概念、
定理和定律的讲解不仅生动清晰,通俗易懂,而且特别注重从物理上作出深刻的叙述。为了扩大学生的知识面,全书还列举了许多基本物理原理在各个方面(诸如天体物理、
地球物理学、生物物理等)的应用,以及物理学的一些最新成就。由于全书是根据课堂讲授的录音整理编辑的,它在一定程度保留了费恩曼讲课的生动活泼、引人入胜的独特风格。
《量子力学与路径积分》
路径积分首先是由费曼提出和发展起来的.目前路径积分已成为解决弯曲时空的
量子场论的非常有效的数学方法.路径积分在规范场、
量子力学、
量子电动力学、统计物理学等领域中已经常应用。本书在费曼编的讲义基础上由希布斯加以整理而成。主要讨论路径积分的方法及其在量子力学、量子电动力学、统计力学等领域中的应用,例如用于解决势场中的电子散射、各种扰动问题。
其他成就
艺术
理查德·费曼晚年沉醉于绘画的线条与结构,他觉得他对于艺术的热爱是和物理是有密切联系的——两者都是在表达自然世界的美妙与复杂。费曼曾经在他的论文“但这就是艺术?”(But Is It Art?)中写下这样的一段话:“我之所以想要学画,是因为我想要表达我对于自然之美的情感。世界中所有的事物看起来都是那么的不同,但是它们却惊人地有着相同的组织,遵守着通用的规律。理查德甚至出售过他的一些画作,但是为了避免别人因为他的学术成就而买下它的作品,他使用了一个叫做“Ofey”的笔名。
教育
费曼学习法
费曼学习法,其核心就是:“用转述、教给别人的方法巩固自己的知识。”通过主动学习的方式提高学习的效率与能力。
教育理念
理查德·费曼认为:教育就是把复杂的观点,用简单的语言把它表述出来;教师讲不懂别人,是自己没有真懂。费曼主张在物理学习和研究中大胆探索和创新;物理教学中要理论联系实际;物理教学目标的多维度;转变教育教学观念,追求教育教学的创新性;追求科学原创,强调理论联系实际;正确地探究自然的方法;依据这种方法所获取的知识,增加了做新事情的能力。
编写教材
根据费曼1961年9月至1963年5月在
加州理工学院讲课录音整理编辑出版了《费曼物理学讲义(The Feynman's Lectures on Physics)》,包括《第一卷:机械、辐射和热(Mechanics, Radiation, and Heat)》《第二卷:
电磁学和物质(Electromagnetism and Matter)》《第三卷:量子力学(Quantum Mechanics)》,并有费曼物理学讲座解决问题的补充《费曼的物理学技巧(Feynman's Tips on
物理学)》。
荣誉与奖项
人物评价
“理查德·费曼是20世纪物理学界的佼佼者,总是好奇,总是谦虚,总是热情洋溢,总是愿意与学生和同事分享他的深刻见解”(Mr. Feynman was a towering figure in 20th century physics, always curious, always modest, always ebullient, always willing to share his deep insights with students and colleagues)。(
加州理工学院前校长马文·戈德伯格(Marvin Goldberger)评)
他有一种特别顽皮的幽默感,还因其精心设计的恶作剧而“臭名远扬”。但当涉及科学的时候,费曼一直是毫不迁就地实在并总是严酷地评判,这使他成为科学研讨会上特别唬人的存在。(普林斯顿大学
阿尔伯特·爱因斯坦科学教授、普林斯顿理论科学中心主任Paul J. Steinhardt评)
理查德·费曼对辐射量子理论,以及原子、
原子核和亚核粒子成分行为的深入认识作出了重要贡献(his essential contributions to the quantum theory of
放射线 and to his illumination of behavior of constituents of the
原子, of the atomic
细胞核 and of the subnuclear particles)。(
国家科学奖章评)
物理学家
弗里曼·戴森初见费曼时,评价他:“半是天才,半是滑稽演员。”非常了解之后,他把评价修改为:“完全是天才,完全是滑稽演员。”
“费曼的生命就像是连锁反应,向四面八方炸开,散发出光和热,在历史的长河中,费曼正如他喜欢谈论的原子微粒一样,昂首挺胸,走来走去,留下灵动而优美的弧线。他的光芒,一直指引着后人。不做世界的观光客,而做
科学教育的探险者。”(《时代杂志》评价)
“费曼是这里最才华横溢的年轻物理学家,他有着非常吸引人的性格与个性,他是一个优秀的教师,对物理学的各个方面都有着热烈的感情。 ”(
罗伯特·奥本海默评)
后世纪念
人物名言
科学就是让我们学会如何不欺骗自己。
如果你认为科学是确定的——好吧,那你就错了。
努力学习你最感兴趣的东西,尽可能以最随意、最无理和最新颖的方式。
我研究过无数你也许会称为卑微的问题,但我乐在其中,因为我有时能部分地成功……没有什么问题是太简单或太平凡的,只要我们真地能在上面做点什么。
我们很幸运地处在一个尚能做出发现的时代。就像发现美洲一样——你只会发现它一次。我们所处的时代是一个我们正在发现基本自然定律的时代,那样的日子不会再来。
承认自己的无知并留下怀疑的空间对任何发展都是至关重要的。科学知识本身是不同可信度水平的集合:有些根本不确定,有些比较确定,但没有什么是完全确定的。
纪念作品及活动
2013年,费曼纪念影片《神奇的费曼先生》上映,取得巨大反响。
2018年5月11日,为了纪念理查德·费曼诞辰100周年,
加州理工学院举办为期两天的特别活动。