1.3 费恩曼在科教上的成就

什么是费恩曼风格？一个最佳的描述是：它是对已有的人类智慧的尊敬和不敬的混合。

费恩曼最核心的工作是在量子电动力学（QED）方面，他的成就赢得了包括1965年诺贝尔物理学奖等荣誉。1900年，德国物理学家普朗克指出，以前一直被看成波的电磁辐射，在与实物相互作用时，却又表现出像能量小包或“量子”那样的行为。这种特殊的量子后来称为“光子”。在20世纪30年代，量子力学有一个方案来描写带电粒子（例如电子）对光子的散射或吸收。但是，QED的这种早期理论还是有缺陷的，在许多情况下，对非常确定的物理问题的计算却给出不协调甚至无穷大的结果。费恩曼在20世纪40年代末，致力于建立一个协调一致的QED理论。

为了把QED置于一个坚实的基础上，就必须使这个理论不仅同量子力学的原理协调一致，还要同狭义相对论的原理协调一致。量子力学和相对论各自有不同的数学方程，但它们联合或相消，就得到一个令人满意的量子电动力学表述。当然，这样做需要高超的数学技巧，费恩曼的同代人正是沿着这条路线做下去的。但是，费恩曼却采取了一个带有根本和激进性的路线，不用任何数学就能直接写出大致的答案。

费恩曼发明了以他的名字命名的简单图形：费恩曼图（图1-7）。它是描绘电子、光子和其他粒子相互作用时所发生现象的一个很有启发性的简单符号方法。这与传统的理论物理研究方法令人吃惊地背离。

正是费恩曼潇洒的生活态度（一般地）和搞物理的态度（特别地），使他成为一位优秀的教师。在合适的情况下，他能作非常精彩的演讲，里面充满了智慧的火花、深刻的洞察力和他在研究工作中表现出来的对传统的不敬。1988年费恩曼因癌症去世时，他工作了大半辈子的加州理工学院的学生们打出了一面旗，上面简单地写着：“我们爱你，迪克”（图1-8）。

1965年诺贝尔物理学奖[15]授予了日本东京教育大学的朝永振一郎（Sin-Itrio Tomonaga,1906—1979），美国哈佛大学的施温格（Julian S. Schwinger,1918—1994）（图1-9）和美国加州理工学院的费恩曼（1918—1988），以表彰他们在量子电动力学（重整化理论）所做的基础性工作，这些工作对基本粒子物理具有深远的影响。

量子电动力学是量子场论中最成熟的一个分支，它研究的对象是电磁相互作用的量子性质（即光子的散射和吸收）、带电粒子的产生和湮灭、带电粒子间的散射、带电粒子与光子间的散射等。量子电动力学是从量子力学发展而来的，量子力学可以用微扰方法处理光的吸收和受激发射，但不能处理光的自发射。电磁场的量子化会遇到真空涨落问题。在用微扰方法计算高级近似时会出现发散问题，因而失去确定意义。他们三人用不同的独立方法，即使用“重整化”的概念，把发散量归入电荷与质量的重新定义中，殊途同归地解决了这一困难。这里“重整化”的意思就是用一定的步骤把微扰论积分中出现的发散分离出去，吸收到相互作用耦合常量及粒子的质量中，并通过重新定义相互作用耦合常量和粒子的质量，来获得不发散的矩阵元，使计算结果与实验对比。结果成功地解释了兰姆移动和电子反常磁矩的实验。

费恩曼的主要研究领域是量子电动力学。除了《费恩曼物理学讲义》以外，以费恩曼名字命名的物理规律有：“F-K公式”“费恩曼振幅”“费恩曼传播子”“费恩曼规则”“费恩曼棘轮与爪”等。

1.3.1 历数十大贡献

费恩曼的十大科教贡献

费恩曼把他的一生，都献给了物理学的研究和教育事业。以下模仿朗道石碑，介绍他的一些主要成就。其中，括号里的年份为费恩曼正式在刊物上发表论文的时间。现按照费恩曼本人认可的重要性，将成果从高往低排序。

一、费恩曼物理学讲义（1965年）

费恩曼认为他对物理学最重要的贡献不是量子电动力学，或超流理论，或极化子，或部分子，他的首要贡献是三卷《费恩曼物理学讲义》。它们已被译成10种不同的语言，并且还有四种双语版。该书起因于20世纪60年代，美国大学物理教学改革试图解决的一个主要问题是：基础物理教学应尽可能反映近代物理的巨大成就。这三卷讲义中对许多问题的处理，反映了费恩曼自己以及其他在前沿研究领域工作的物理学家所惯常采用的分析方法。费恩曼在前言中写道：“我讲授的主要目的，不是帮助你们应付考试，也不是帮助你们为工业和国防服务。我最希望做到的是，让你们欣赏这奇妙的世界以及物理学家观察它的方法。”全书是根据费恩曼课堂讲授的录音整理编辑而成，因而保留了费恩曼的生动活泼、引人入胜、论述精辟和富于启发的独特风格。

二、弱相互作用理论（1958年）

费恩曼受李政道和杨振宁于1956年发表的关于基本粒子弱相互作用宇称不守恒的工作启发，他与诺贝尔物理学奖获得者、被誉为夸克之父的盖尔曼（Murray Gell-Mann,1929—）合作，阐述了弱作用的“普适V-A理论”，这里V代表矢量，A代表轴矢量。提出了“矢量流守恒”的假设，这里指的是，中子β衰变的矢量耦合常数与µ子衰变矢量耦合常数相等。费恩曼对他的这一成果非常得意，觉得：“这是我第一次发现一条新的定律。”所以，本书把它列在第二位。

三、路径积分（1948年）

费恩曼在1947年春天对他的博士论文进行了修改，使之成为一种普遍性的理论。这篇发表在1948年《现代物理评论》上，题为《非相对论性量子力学的时间——空间方法》的总结性论文，第一次公开阐述他所创立的量子力学路径积分方法，即把从初始态到终末态的，所有在空间—时间中的可能路径所贡献的振幅都叠加或者积分起来，以构成总振幅。费恩曼实际上找到了建立量子力学的一种等价方法，即有别于海森伯（W.C. Heisenberg,1901—1976）1925年建立的“矩阵力学”和薛定谔（E. Schrödinger,1887—1961）1926年建立的“波动力学”，可称为量子力学的第三种形式。

四、费恩曼图（1962年）

费恩曼发展了一种图形技术，能够大大地简化微扰计算的分析，这就是被普遍运用的“费恩曼图”。在这个图中，用顺时针方向的线段代表电子的运动，用逆时针方向的线段代表正电子，即电子的反粒子的运动。由于这是一种相对论性的理论，在图形中的每个节点的空时坐标，在计算中都要对整个空间时间积分。因此，在对由一个图形代表的那项的全部积分中，就包括了所有各个节点的时间先后次序各不相同的贡献。这种方法不仅适用于量子电动力学，即电子与光子相互作用的理论，也适用于介子理论的微扰计算。

五、部分子模型（1968年）

早在20世纪60年代，费恩曼曾用直观图像描述高能强子之间的相互作用，认为其是通过强子内部的组成部分来完成的，他把这些组成部分称为部分子。1968年8月，费恩曼来到美国著名的斯坦福直线加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center, SLAC）的实验小组，人们向他展示了电子与质子深度非弹性的反常结果，并告诉他用标度无关性作出的解释。费恩曼把质子看成是部分子（类点粒子）的复合体，把电子质子的深度非弹性散射看成是电子与部分子发生弹性散射。其实，费恩曼的部分子模型与盖尔曼的夸克模型有异曲同工之处，他们从不同角度用不同方法达到了相同结论。原来部分子和夸克是一回事。

六、超流问题（1957年）

液态氦在温度2.19K以下，会发生完全无阻尼的流动，这种现象称为超流。费恩曼从1953年到1957年期间研究超流问题。他认为以往的理论不够完整，因此用路径积分和量子统计的方法从头计算。定性预言了在低温下，系统会从常流体到超流体的相变。

七、量子引力理论（1962年）

费恩曼从20世纪60年代致力于将广义相对论与量子论结合起来，他坚信引力波的存在。他的工作一方面用关于引力子的量子场论的方法重新给出了广义相对论里的基本方程；另一方面则是进一步对微扰计算中所涉及的某些关键圈图的发散性质进行讨论，对量子引力问题做了基础性的工作。特别是在1962年，费恩曼首次用路径积分处理了引力理论中的规范不变性。

八、辐射的相互作用理论（1945年）

经典电磁场理论存在电子自能无限大的困难，费恩曼试图取消电磁场，但又要反映电磁作用的有限传播速度（光速），即在时间上的“推迟”。他使用一半推迟解，一半超前解，并且假定所有的作用源都被一种完全的吸收体环绕，辐射阻尼就可以看作是由吸收体的电荷以超前波形式对作用源的一种反作用。从而，在费恩曼的这种电磁学理论中，既不出现电磁场，也不出现电荷对自身的作用。这一工作的主要部分，以费恩曼和惠勒联名的形式发表在1945年的《现代物理评论》上。

九、“曼哈顿计划”（1945年）

早在1942年初，费恩曼与理论物理学家贝特（H. A. Bethe, 1906—2005）合作，在核武器的早期阶段，推导出适用于任何质量范围的爆炸效率公式，它一直延用到现在，被称为“贝特--费恩曼公式”。

十、多学科和社会贡献（1945—1986年）

20世纪50年代，费恩曼也提出过超导电性的玻色气体模型。超导体的电子是费米子，服从量子统计中的费米--狄拉克统计。另外，费恩曼对科学普及有着巨大的成就，他著有四本重要的学术著作：《量子电动力学》《量子力学与路径积分》《光子强子相互作用》《统计力学》；编写了《物理定律的本性》《爱开玩笑的科学家》《你在乎别人怎么想？》《费恩曼讲物理》《费恩曼讲相对论》等科普册子。

1.3.2 费恩曼在史上最伟大物理学家中的位置

公众有一种流行的错误观念，以为科学是冰冷的、纯客观的事业。事实上，科学是由人推动的，每个时代科学的发展通常都追随杰出科学家所照亮的道路前行。一位伟大物理学家可能成为整个科学界崇拜的偶像。在1999千禧之年，英国的《物理学杂志》期刊请130位在世的顶尖物理学家投票，选出史上最伟大的物理学家。这份排名只有前10名，他们是：爱因斯坦、牛顿、麦克斯韦、玻尔、海森伯、伽利略、费恩曼、狄拉克、薛定谔、卢瑟福（图1-10）。

在以往的几个世纪里，牛顿就是这样的偶像——绅士型的科学家。他虔信宗教、不慌不忙，做事井井有条。他搞科学的风格在二百多年中被奉为旗帜。牛顿既是实验家又是理论家，说不上偏重哪边。

在20世纪的前半个世纪，爱因斯坦替代牛顿成为大众的科学偶像。他行为古怪、不修边幅、心不在焉，全神贯注地投入工作，树立了一个抽象思想家的典范。爱因斯坦相当轻视实验，宁肯把他的信念置于纯粹的思维上。他通过对物理学最基础的概念提出质疑，改变了以往做物理研究的方式。

费恩曼是一个极具另类的怪才。他发展的是一个对自然有深刻理解的理论，但又保持着与现实世界、常常是五花八门实验结果的紧密联系。曾看过费恩曼如何把橡胶圈浸到冰水中，以解释“挑战者”号航天飞机灾难事故的人们，谁也不会怀疑他是一个既擅长表演，又非常实际的思想家。他出生的太晚，已无缘赶上物理学的黄金时代，即20世纪的前3个10年，相对论和量子力学改变了人们的世界观，奠定了现今物理学的基础。费恩曼从这些基础出发，帮助建成了新物理学大厦的第一层。他的贡献几乎触及新物理学的每一个角落，并且对物理学家思考自然和宇宙的方式产生了深刻而持久的影响。

费恩曼于1954年春当选美国国家科学院院士，这是他获得诺贝尔物理学奖之前的事情。费恩曼觉得参加这个团体的主要任务仅仅是投票决定有谁够资格享有这一荣誉，那就没有什么必要去凑数。为了不辜负长辈和朋友们的期望，他仍然参加了一些活动。不过，费恩曼最后还是向科学院院长提出了辞呈。他的这些表现，难免会被一些人认为是行为乖张、自命不凡。但是，费恩曼以他独特的人格魅力成为一位家喻户晓的科学明星却是不争的事实。

1986年1月28日，美国“挑战者”号航天飞机发射后不久发生爆炸，七名宇航员全部遇难。费恩曼应邀到华盛顿参加为调查这一事故而专门成立的、由美国前国务卿罗杰斯牵头的总统委员会。这次活动是费恩曼最后一次出远门儿，因为他患肿瘤第二次手术之后病情才得到稳定。1986年2月11日，在委员会成员全体出席的一次公开的听证会上，费恩曼当着电视摄像机的镜头，用一杯普通的饮用冰水做了一个演示实验，以证明运载火箭连接处O形密封圈的材料，在发射时的低温下会失去弹性。正是由于这一原因，导致火箭燃料泄漏而起火爆炸。

为展现费恩曼先生探险者的风范，本书虚构了他拿着一个O形圈，向人们讲解他的得意之作“费恩曼图”的场景（图1-11）。

当然，人无完人，费恩曼先生也有他的另一面。一些人会觉得费恩曼讲课具有狂热激情反而有点累人，繁琐而不够简明。有些东西是不言自明的，不必像他那样，绕一个大圈子来阐释。