读《费曼的彩虹》
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2023-06-28 6858字

费曼是我非常尊敬的科学家, 下面是我读取《费曼的彩虹》的精彩片段记录:

保持玩心, 找到乐趣, 保持年轻的心态。 我很清楚, 对于费曼来说, 始终接纳自然或者生命中的一切可能, 正是他拥有创造力和幸福的关键。

费曼擅长于不依赖强大的数学计算, 而是结合物理的理解, 发挥巨大的想象力。

费曼说, 其实, 我们所做的都是再正常不过的事情, 只不过次数比普通人要多得多! 人们确实有想象力, 可是他们不会长久地施展它们。 每个人都能表现出创造力, 只是科学家表现的机会更多。 不同寻常的是, 科学家们会集中发挥创造力, 将所有这些年的经验都集中在同一个有限的主题上。 科学家的工作与人们的正常活动一样, 只不过是以一种过度而又夸张的形式来展开的。 普通人往往不会这么做, 至少不会像我一样, 每天都思考同样的问题。 只有像我这样的傻瓜, 还有达尔文以及为同样问题操心的人才会这样。“动物是从哪儿来的?”“物种之间存在什么样的关系?”科学家们研究的是这样的问题, 并且会几十年如一日地思考! 我所做的, 就是普通人经常做的事情, 只不过很多看起来十分疯狂! 但这就是在努力挖掘人类的潜能。

科学家的思考方式的确具有建设性。 你向科学家提出一些问题, 他就会感到焦虑。 这并不是普通人有时候会出现的那种焦虑, 例如“我不知道那个病人会不会好起来”。 这不是思考, 只是纯粹的担忧。 科学家会尝试建立某种东西。 他们并不仅仅担心某件事, 还要将它彻底想明白。 科学家就像侦探一样, 要进行分析推理, 像侦探一样试图找出他不在的时候发生了什么, 寻觅迹象。 我们试图从实验的蛛丝马迹中找到自然的真相。 我们掌握了线索, 并尝试将它们搞清楚。 科研比其他任何职业都更接近于侦探的工作。

不要以为成为科学家就有什么不同。 普通人与科学家没有那么大的差别。 他可能很难成为艺术家、 诗人或者其他什么人, 不过对此我也深表怀疑。 在我看来, 对于日常生活的一般常识, 许多人的思维方式都与科学家没什么两样。 在日常生活中, 人们都会将一些事情归纳起来, 得出他们对于世界的结论。 他们创造出了原本不存在的事物, 比如绘画, 比如写作, 比如科学理论。

费曼过去常说世上有两种物理学家, 巴比伦人和希腊人。 他所指的是这两大古老文明中相互对立的哲学观念。 巴比伦人对于数字、 方程式和几何学方面的理解, 让西方文明获得了长足的进步。 然而我们却认为, 真正发明数学的是后来的希腊人——尤其是泰勒斯(Thales)、 毕达哥拉斯(Pythagoras)和欧几里得(Euclid)。 这是因为巴比伦人只关心计算方法的有效性——也就是充分描述真实物理情景的能力——而不是它的准确与否, 或者是否适用于任何更大的逻辑体系。 另一方面, 泰勒斯和他的希腊拥护者们提出了定理和证明的概念——并且要求, 只有当命题是一个明确陈述的公理或者假设的确切逻辑结果时, 才能被认为是真的。 简单说起来, 巴比伦人注重的是现象, 而希腊人注重潜在的规则。 这两种方法都是非常强大的。 希腊式的方法具有数学逻辑机制的全部力量, 这种类型的物理学家经常将他们理论中的数学之美作为依据。 这便促成了许多数学方面的美学应用——例如, 默里对粒子的分类。 巴比伦式的方法则给予想象一定的自由度, 并且允许人们跟随自己的本能或直觉, 以及对自然的“第六感”, 而不是拘泥于想法的严谨性和正确性。 这种审美观也取得了巨大成就——直觉加上“物理推导”的成就, 也就是说, 主要基于对物理过程的观察和解释进行推理, 而不是用数学推导出结果。 事实上, 具有这种思维方式的物理学家有时会打破数学的规则, 甚至会根据他们对实验数据的理解, 创造出奇特的(而且未经证实的)数学方法。 在某些情况下, 这就使得数学家们成了殿后的一方——要么证明物理学家自创方法的正确性, 要么搞清楚为什么他们“毫无根据”的方法却得出了相当准确的答案。 费曼认为自己属于巴比伦人。 他凭借对自然的理解前往它所引导的地方。 而默里则更倾向于希腊风格——渴望对特性进行分类, 将有效的数学规律强加给数据。

尽管费曼将这两种方法界定为巴比伦式和希腊式, 但是纵观整个历史, 其他许多人物和运动也曾表现出类似的理念矛盾, 例如, 希腊人柏拉图(Plato)和亚里士多德(Aristotle)。 柏拉图认为, 在真实世界各种现象的背后存在永恒不变的规律。 换作数学术语的话, 这就是默里这类物理学家所追求的描述方式。 亚里士多德觉得柏拉图根本是在背道而驰。 在他看来, 对自然进行不切实际(也就是抽象)的描述是荒诞的, 或者说就是与己方便而已, 我们真正应该关注的是感官所感知到的现象。 跟费曼一样, 他崇尚的是自然本身, 而不是(可能)潜在的抽象概念。 在我看来, 费曼的这一特质也反映了斯佩里的两个大脑半球理论。 左半球, 寻求秩序和条理, 也就是默里、 希腊人和柏拉图; 而右半球, 感知模式并强调直觉, 也就是费曼、 巴比伦人和亚里士多德。 考虑到大脑本身的生理差异, 也就难怪他们态度上的差异超越了物理学范畴, 深入到各自的生活方式当中。 当时的我还没有意识到, 很快我也将面临这种生活方式的选择。

在费曼的方法中, 为了获得给定初始状态的电子最终实现某特定终态的概率, 你可以利用一定的规则, 将电子由始态到终态所有可能的路径或者变化历程叠加起来。 对于费曼来说, 这就是量子世界与现实, 或者说与经典世界的区别。 在经典理论中, 粒子遵循的是确定的路径, 就像我们日常生活中的物体一样。 之所以会出现神奇的量子世界, 就是因为你必须将额外的路径考虑进去。 对于大型物体来说, 叠加所有路径只会得到其中一条重要路径, 也就是我们所熟悉的经典路径, 所以你不会注意到任何量子效应。 但是对于亚原子粒子(例如电子), 你既不能忽视它向宇宙遥远区域传播的路径, 也不能忘记它在时间上的往复曲折。 量子理论下的电子跳着宇宙之舞向太空四处发射, 从现在到未来再到过去, 从这里到宇宙中的任意角落, 再返回来。 在循着这些路径游走时, 它无视正统的运动规则, 就好像万事万物全都失去了控制一般。 正如费曼所说, 甚至就连“事件的时间顺序……都变得无关紧要”。 然而不知为何, 就像乐器和声演奏出的音乐一样, 所有叠加在一起的路径就构成了实验者观察到的最终量子状态。

费曼的方法属于另辟蹊径, 乍一看不太合理。 我们以科学为主导的文化期待看到的是秩序和规则。 我们已经形成了根深蒂固的时间和空间观念, 时间只能从过去流向现在, 再流向未来。 但是根据费曼的说法, 深藏在这一秩序之下的是不遵守这些规则的过程。 和往常一样, 费曼从不讨论自己理论形而上学的一面。 后来, 当我逐渐了解他以后, 便发现自己能够理解他想出这一理论的原因: 他自己的行事风格就跟电子一样。

当他在 1948 年某次会议上提出这一方法时, 遭到了尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)、 爱德华·泰勒(Edward Teller)和保罗·狄拉克(Paul Dirac)等多位著名物理学家的围攻。 他们所寻求的是希腊式的方法, 而他却是巴比伦式。 不过, 到头来他们依旧不能无视他: 他可以在半小时内完成耗费他们几个月的理论计算。

当你第一次询问我如何处理问题时, 我感到十分惊慌。 因为我真的不知道。 我觉得这就好比在问一条蜈蚣, 它走路的时候先迈哪条腿。 我需要好好想一想, 回忆一下过去, 举例说明一些问题。 在某些情况下, 找到研究的问题可能源自你富有创造性的想象力。 而解决问题的技能或许不尽相同。 不过, 数学和物理中有些问题的情况是相反的。 问题明摆在那里, 解决起来却很困难。 人们难免不会注意到这样的问题, 奈何当时已知的技术和方法以及所掌握的信息量都非常有限。 在这种情况下, 解决方法就会颇具独创性。

我的做法就是, 我绝不会和别人完全一样。 我总认为自己拥有近水楼台的优势, 总是在尝试其他方法。 我想, 正是因为我不停地尝试其他方法, 所以别人没有机会。 这么说太夸张了。 而我也只得好好努力来让自己配得上这种夸张的说法。 我总将这想成是外出战斗的非洲人击打战鼓为自己打气。 我和自己交流, 并且说服自己相信这个问题可以用我的方法来解决, 而别人的做法都是错误的。 他们得不到结果就是因为做得不对。 我要用另一种方式来做。 我以此来说服自己, 让自己充满热情。 之所以这么做是因为在遇到难题时, 我们必须花费很长的时间钻研, 必须持之以恒。 为了坚持下去, 你必须相信, 努力研究就会有所回报, 你终将获得成就。 这在一定程度上就需要自欺欺人。 在最后这个问题上, 我确实自欺欺人了。 我一无所获。 我不能说自己的方法非常好。 我的想象力令我失望。 我已经定性地搞清楚了它的工作原理, 但是无法通过定量的方式计算出来。 即使问题最终得到解决, 那也要全凭想象力。 到那时, 做成这件事的方法将会具有重大意义。 但它其实很简单——就是丰富的想象力和坚持不懈的态度。

1865 年, 苏格兰一位身高只有 1.62 米的物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell), 利用这些大杂烩般的法则推导出了一组了不起的方程式。 短短几行就向全世界展示了电力和磁力如何从电荷和电流中产生, 以及最重要的, 如何从它们的相互作用中产生。 因此, 麦克斯韦将三种古老之力中的两种(电和磁)统一了起来, 创造了我们现在所说的电磁学理论。 历史也表明, 麦克斯韦统一电磁学不仅体现了理论之美, 而且对其实质的研究还显示出划时代的新效应。 例如, 他的方程表明, 加速的电荷可以产生电磁波。 这些波总是以相同的速度(他所计算出的光速)运动。 这为爱因斯坦的狭义相对论提供了灵感。 在麦克斯韦发现光是一种电磁现象后, 其他种类电磁波存在的可能性就变得格外明显。 这也为德国实验学家海因里希·鲁道夫·赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)发现无线电波铺平了道路, 进而由此诞生出广播、 电视、 雷达、 卫星通信、 X 光机和微波炉等技术。 在《费曼物理学讲义》中他写道:“……毫无疑问, 19 世纪最重大的事件就是麦克斯韦发现了电动力学定律。”

“我能问您件事吗,”我终于开口,“您觉得研究几乎所有人都认为很荒谬的理论算得上明智吗?”“只在一种情况下算。”他说。“什么情况?”“你自己认为它不荒谬的时候。”“我觉得自己对它的了解并不充分, 不敢轻易下结论。”他轻声地笑了起来。“说不定等你充分了解之后, 就不会去研究它了。”“您是说, 可能我太笨, 根本无法深入了解它。”“那倒未必。 可能只是你了解得不够多, 也可能是了解的时间还不够长, 于是就被已知的内容破坏了兴趣。 过度的教育反而会引起麻烦。”

事实上, 许多伟大的物理学发现都是由和我年龄差不多的“孩子”做出来的。 像我这么大的时候, 牛顿发明了微积分, 爱因斯坦发现了相对论, 费曼也开发了他的图解技术, 虽然很多研究进展也是由年长的物理学家所贡献的, 然而最具革命性的成果似乎全都是由年轻人创造出来的。 我们研究生都知道, 就数学和理论物理所需要的思维能力而言, 我们的大脑正处于巅峰时期。 但是, 费曼的看法似乎有所不同, 就好像我们走下坡路不是因为智力衰退, 而是被强制灌输了某种思想。 或许这就是他避免从书本或者研究论文中学习新知识的原因; 他向来以坚持亲自推导新结果, 并用自己的方式理解它们而出名。 对他来说, 保持年轻意味着保留初学者的眼界。 很显然, 他是成功的。

创造性思维拥有一间宽敞的阁楼。 你在大学里完成的作业, 念博士后时花一周才搞懂的有趣但貌似毫无意义的论文, 某个同事不假思索的言论, 这一切都被储存在富有创造力的人大脑某处的宝箱中, 常常在最意想不到的时刻, 被潜意识搜寻到并拿来使用。 它是超越物理的创造性过程的一部分。 例如, 柴可夫斯基(Tschaikovsky)写道:“只要土壤适宜, 未来的作品便会出乎意料地突然冒出萌芽……”玛丽·雪莱(Mary Shelley)说:“发明并不是无中生有, 而是乱中生有。”史蒂芬·斯宾德(Stephen Spender)说:“没有什么我们想象出来的东西是我们还不知道的。 所谓想象力, 就是记住曾经经历过的事情, 并将其应用于不同情况的能力。”

你所看到的任何带电体的电荷都是元电荷的整数倍, 而你又想让自己从这一命题中解脱出来, 那么就需要发挥想象力。 通过想象你便可以假设电荷可能并不总像你所看到的那样。 因循守旧的习惯在我们大脑中根深蒂固。 我们已经证实, 一切带电体的电量总是元电荷的整数倍, 不管在哪。 不管在哪! 于是, 你就认为一切带电体的电量都是由整数倍的元电荷构成的。 这似乎是合情合理, 而且没有人会考虑其他可能, 因为这看起来没有必要, 也没有证据能够证实。 当你最终发现了一些自己不曾预料的事情时——你偶然碰到的——乍看起来就像魔法一样! 有意思! 非常有意思。

“这就类似于夏洛克·福尔摩斯或者洛克福德, 当然, 视你个人的风格而定。 首先, 你得选择一个问题。”“就像选择要解决的犯罪案件。”“没错。 区别在于, 侦探面对的案子是由客户指定的。 而物理学家必须得自己去找。”“是不是就像联邦调查局十大通缉犯的名单那样?”“没错, 有些问题大家都认为非常重要。 这你就得小心了, 因为研究它们的人很多。 最好是找一个只有你发现的重要问题, 而且它必须真的重要才行。”“然后, 你就要找线索了。”“是啊, 只不过是在大脑里寻找。 要仔细考虑各种可能性, 提出一些想法——也就是线索。 然后, 不停地运用数学方法来追寻线索。 看看自己的想法是否能得到想要的结果。 这往往并不容易, 因为你不知道如何进行计算。 我说明白了吗?”

“我不是叫他不要研究新理论。”费曼说。 然后他看着我, 说道:“我只是说, 无论选择研究什么, 都要成为对自己最苛刻的评判者。 而且, 不要为了错误的目的去这么做。 除非你真的相信它, 否则不要做。 因为, 一旦你无法解决它, 可能会白白浪费许多时间。”

正如后来我所了解到的, 费曼并不反对默里对弦理论的看法, 即认为像弦理论这样的理论已经“存在”, 并等待人们的发现。 只不过费曼认为, 只有坚持法则或者观察自然, 才能引导我们找到正确的理论, 而不能仅凭科学家对统一理论的一厢情愿。 这就是他巴比伦式的态度——尊重现象, 而不是辩解。

这并不是说我的想象力不行。 事实上我认为, 科学家计算或者想象已存在的事物要比构思小说这类想象原本没有的东西困难得多。 想要真正理解事物在微观或者宏观上是如何运作的, 结果发现它与你所期望的大相径庭, 这需要超级丰富的想象力才能办到! 我们需要大量的想象力来描绘原子, 想象它们的存在以及运作方式。 或者制作元素周期表。 但是, 科学家的想象力与作家的不同, 因为它是经过检验的。 科学家设想出一些情况, 然后上帝给出“不正确”或者“迄今为止还行”的结论。 当然, 这里的上帝就是实验, 它可能会说:“哦, 不, 这不一致。”你说:“我认为它是这样工作的。 如果确实如此, 你就应该看到这个。”然后, 其他人并没有看到这个结果。 那太糟糕了。 你猜错了。 但是写作就不会遇到这种情况。 作家或者艺术家可以想象一些东西, 当然可以从艺术或者美学的角度觉得它不能令人满意, 但是这与科学家所面对的清晰性和绝对性的程度不同。 对于科学家, 实验之神可能会说:“它很美, 我的朋友, 但它不是真的。”这简直是巨大的差别。 假设存在伟大的美学之神。

生活中什么才是重要的? 这是我们都应该思考的问题。 这个答案在学校是学不到的, 它并不像看起来那么简单, 因为肤浅的答案是不能令人满意的。 要找到真正的答案, 你就必须了解自己。 然后, 你必须对自己诚实。 你必须尊重和接纳自己。 对于我来说, 这些都是艰巨的任务。 我念完大学, 匆匆步入学术界, 想要迫不及待地投身于研究, 向全世界证明自己的存在, 证明自己的工作很重要。 这关注的是外在的生活。 那是默里的方式。 有所成就, 让人铭记。 成为一个举足轻重的人, 一位领袖。 这是经典方式, 传统做法。 这个目标看上去显而易见而且值得实现。 我毫不犹豫地选择了它。 但是对于我来说, 它就像是追逐彩虹, 甚至可能更糟, 就像在追逐别人的彩虹, 那些我实际上并没有发现其美丽之处的彩虹。 从费曼那里我看到了另一种可能性。 正如量子理论的发现促使物理学家改进他们所有的理论一样, 见识到费曼这样的榜样, 也使得我重新审视自己。 他并不想充当领袖。 他没有受到“统一”理论的诱惑。 对他来说, 即使你的发现早已为他人所知, 发现所带来的满足感依然存在。 即使你所做的不过是以自己的方式重新得到别人的结果, 也依然会获得满足感。 即使你发挥创造性仅仅是为了陪孩子玩耍, 它也依然存在。 这是自我满足。 费曼关注的是内在, 而这种内在的关注给予了他自由。

根据费曼的说法, 我们的文化是希腊式的。 这种文化包含逻辑与证明、 规则与秩序。 在我们的文化中, 费曼这类人往往会被当作异类, 因为他们是巴比伦式的。

很多年前, 我在以色列基布兹读到过《费曼物理学讲义》, 费曼在结束语中阐述了自己在写这本书的目标。 费曼写道:“我最想做的就是带你们领略这个神奇的世界, 并且以物理学家的方式来看待它。”他的说法太过谦虚, 因为他在书中传达的世界观并不仅仅是物理学家看待世界的方式; 而是他自己独有的方式。 这也是我希望自己这本书能进一步实现的目标。 理查德·费曼总是清楚如何充分利用这个世界所提供的一切, 并且充分发挥上帝(或者单纯的基因)所赋予他的天赋。 这一切也是我们可以期盼在人生中做到的, 在他去世后的这些年里, 我发现这是他教给我非常宝贵的一课。