在任何领域里发现最奇怪的事，然后探索它

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在任何领域里发现最奇怪的事，然后探索它

“别逗了，费曼先生！”

1939 年秋天，费曼来到普林斯顿大学。每周日与院长艾森哈特（Eisenhart）共进下午茶，让他对社交紧张不安。

他为钱不够日常招待客人发愁。

他为父母寄的雨衣太短参加赛艇活动出丑发愁。

他为参加社交活动不知道坐哪，喝茶应该配什么发愁。

好奇的大男孩、多情的爱人、诺贝尔奖得主、原子弹制造者、“挑战者号”事故调查委员、邦戈鼓手、开锁大师……费曼为20世纪的物理学开辟了一条非凡的道路，回望天才的来时路，也会有年轻人一开始的窘迫、紧张，可那又怎样呢？

来源 | 《费曼传：天才的人生与思想世界》

作者 | [美] 詹姆斯·格雷克

译者：高爽 赵晓蕊



01  天才惜天才

尼尔斯·玻尔在普林斯顿大学的信徒是一位身材结实、有着灰色眼睛的 28 岁助理教授，名叫约翰·惠勒（John Wheeler）。他在 1938 年来到普林斯顿大学，比费曼早了一年。惠勒有着和玻尔一样的圆润额头和温和面容，他谈论起物理学的时候总是心存神圣。在接下来的几年里，没有物理学家能超越惠勒对神秘事物的欣赏，也没有人能比他更擅长创造名言警句。

“黑洞无毛。”（实际上，就是惠勒发明了“黑洞”这个词。）

“除了没有定律这一条定律之外，没有别的定律。”

“我总是保持用两条腿走路，其中一条总是试图超过另一条。”

“在任何领域里发现最奇怪的事，然后探索它。”

“个别事件、无法用定律解释的事件、如此多的难以理解的事件，从公式中飘荡而出，无法编织成确定的形式。”

惠勒的穿着像商人，他打着笔直的领带，白色袖口干净笔挺，在他开始和学生讨论问题之前，总是优雅地掏出一只怀表（这个动作传达的信息是：教授只能拿出这么多空闲时间）。

他在普林斯顿大学的一位同事罗伯特 · R. 威尔逊（Robert R. Wilson）觉得，在惠勒绅士外表的背后是又一个完美的绅士，无穷无尽……“但是，”威尔逊说，“在这些礼貌的表面之下，仍隐藏着一只猛虎，就像一个无所畏惧的海盗……有勇气面对任何疯狂的问题。”

给学生上课的时候，惠勒表现得尤其自信，用优雅的文采和启发性的图表给听众留下深刻印象。

当惠勒还是个孩子的时候，花了很多时间阅读《精巧的机械和机械装置》（Ingenious Mechanisms and Mechanical Devices）这本书。他记住了书里的绘画，还用齿轮和横杆造出了加法机和自动手枪。就在惠勒在黑板上画出晦涩难懂的量子悖论的图像时，仍然体现出了这种心灵手巧的风格，这个世界就像一台银色的神奇机器。

惠勒在俄亥俄州长大，他父亲是图书馆的管理员，三个叔叔都是采矿工程师。他在巴尔的摩上大学，在约翰斯·霍普金斯大学取得研究生学位，之后获得美国国家科学研究委员会的奖学金，靠着这笔资助，惠勒在 1934 年乘坐单程票价 55 美元的货船前往丹麦哥本哈根，师从玻尔学习量子力学。

1939 年的头几个月，惠勒和玻尔以同事的身份再次一起工作。普林斯顿大学聘用了惠勒，并谨慎地激励杰出的匈牙利物理学家尤金·维格纳转到核物理方向。麻省理工学院在这场竞争的浪潮中却采取审慎保守的态度。斯莱特和康普顿倾向于全面发展以及与应用领域的联系。普林斯顿大学完全不同。

惠勒仍然记得他第一次见到放射性感受到的神奇：他坐在暗室里，盯着硫化锌的黑色屏幕，数着从氡元素中放射出来的一个个 α 粒子产生的闪光。此时的玻尔离开了越来越动荡的欧洲，到普林斯顿大学拜访爱因斯坦的研究院。惠勒在纽约的码头迎接玻尔的时候，玻尔带来了一个新消息——有关即将成为物理学开始关注的一种最重要的物质，这就是铀原子。

氢原子是玻尔开始量子力学革命的核心主题。与氢原子相比，铀原子简直是怪兽。它是自然界存在的最重的原子，携带着 92 个质子和 140 多个中子，在宇宙中极其稀少，数量只有氢原子的 17 万亿分之一，而且很不稳定，它会在量子力学无法预测的时间内发生衰变，产生一系列较轻的元素。

或者，像玻尔在穿越北大西洋的旅程中在便携黑板上记录的那样：铀原子遭受中子撞击后会分裂成零散的几对更小的原子，比如钡与氪，或者碲与锆，同时释放出更多的中子和能量。要如何形象化地表示这个膨胀了的原子核呢？是一堆相互碰撞的玻璃球吗？还是一串受到原子核橡胶带挤压的葡萄呢？又或者就像“小液滴”（这个词在 1939 年像病毒一样扩散到整个物理学界）——一种闪耀的、推来挤去的、振动着的小圆球，它被挤压在沙漏里，然后从狭窄的裂缝中滴落下来。

就是最后这种小液滴模型，促使惠勒和玻尔创造出一种强有力却极其简单的科学，仅仅一年之后，这些现象的有效理论被命名为“裂变”〔fission ，这个词不是他们的原创，他们曾经花了一整夜思索更好的名字，他们考虑过“分裂”（splitting）或者“有丝分裂”（mitosis），但后来都放弃了〕。

根据合理猜测，较重的原子核心中葡萄干般的复杂结构，可以被粗略地近似为一颗小液滴。每一个原子核中都包含两百多个粒子，它们靠着强有力的短程核力结合在一起，这种力与费曼分析过的整个分子尺度上的电磁力完全不同。

对于较小的原子来说，小液滴的比喻不够恰当；但对于像铀原子这样较大的原子来说，液滴的描述特别合适。原子核的形状就像小液滴的表面，依赖于两种相反的作用力之间的精妙平衡。如同液滴的表面在表面张力的作用下形成紧密的几何形态，原子里的核力也是这样。质子之间的正电荷产生的电磁力相互排斥，对抗着相互吸引的核力。玻尔和惠勒意识到，费米在罗马的实验室里发现的慢中子有着特别重要的意义。

他们两人做出了两项引人注意的预言：只有相对稀有的同位素铀 235 会剧烈地裂变，以及铀被中子轰击产生的裂变会生成原子数为 94 、质量数为 239 的新物质，这些物质还没有在自然界和实验室里被发现过。他们的两项理论预测很快将会激发世界上最伟大的技术突破。

核物理学的实验室迅速发展起来。美国人的发明热情都投入了兵工厂的机械设计，以加速粒子束，让它们撞击金属片或气体原子，使撞击后的产物穿过离子气体室。

普林斯顿大学在 1936 年花费几辆汽车的成本建造了美国最早的大型回旋加速器之一，这个名字在未来成为普林斯顿大学的骄傲。大学也让一些小型加速器每天工作，生产稀有的元素和同位素，在此基础上产生大量的数据。在这个几乎一无所知的年代，一切实验结果都看起来充满价值。同时，所有新拼凑起来的仪器带来了测量和解释数据的困难，结果经常杂乱无章。

1939 年初秋，惠勒的学生海因茨·巴沙尔（Heinz Barschall）带着一个典型的问题来找他。和很多新入门的实验员一样，巴沙尔正在用加速器产生的射线通过离子室散射粒子。在离子室中，这些粒子的能量可以得到测量。他需要估计在不同的角度反弹回来的粒子的不同能量。巴沙尔已经注意到，他的结果因受到离子室自身环境的影响而改变。一些粒子在抵达离子室之前就已经开始碰撞。还有些粒子在离子室内开始碰撞，但是会朝着离子室的墙壁撞上去。这些粒子都不会再保持原有的全部能量，而计算的关键就在于怎样补偿这些差异，以及怎样把测量的结果换算为粒子的实际能量。这是一套复杂的几何学中相当麻烦的概率问题。巴沙尔不知道该从哪里开始。惠勒说，他太忙了，来不及思考这个问题，但是他新招了一名非常聪明的研究生……

巴沙尔听从惠勒的建议，去研究生院的宿舍找到费曼。费曼听了巴沙尔的问题，什么也没说。巴沙尔觉得一切就这样结束了。费曼当时正在适应这个新的世界。对一名物理学家来说，这里比费曼离开的那个科学中心要小得多。他在校园西边的拿骚大街的商店购买日用品，遇到了一位高年级的研究生——伦纳德·艾森巴德（Leonard Eisenbud）。

艾森巴德说：“你看起来就像是优秀的理论物理学家。”

他指着费曼新买的垃圾桶和黑板擦说：“你买对了工具。”两人第二次见面的时候，让巴沙尔惊讶的是，费曼带来了一大摞手写纸。费曼利用坐火车的时间写下了完整的解答。巴沙尔感觉很挫败，从此以后，又多了一位年轻的物理学家加入崇拜费曼才智的小团体。

费曼被指定为惠勒的助教，此前两人都不知情。惠勒也开始欣赏费曼的才华。费曼本来期待跟随维格纳工作。他第一次见到惠勒的时候，惊讶于这位教授比自己大不了几岁。

之后，他再次惊讶于惠勒掏出怀表的动作，费曼领会了惠勒的意思。在他们第二次见面时，费曼掏出一块怀表，放在惠勒面前。停顿了一会儿之后，两个人都笑了。

02  传统老派的村子

小餐馆、林荫路、仿乔治时代的石刻与彩色玻璃、用餐时穿的学院袍和茶歇时一丝不苟的礼节，这些优雅别致的特质让普林斯顿大学颇负盛名。

没有哪所大学像普林斯顿大学这样热切地为本科生的社交活动提供社团支持。虽然 20 世纪不可避免地到来了，各个院系都在迅猛扩张，拿骚大街人满为患，但是，普林斯顿大学依然保持着“一战”前的状态。就像弗朗西斯·斯科特·菲茨杰拉德（F. Scott Fitzgerald）充满爱慕之情地描述纽约、费城和南方社会的先前一代人，“懒散，精致，有贵族气”。

虽然普林斯顿大学的教职人员的专业性日渐提升，但依然沾染着菲茨杰拉德所说的“温和、诗意的绅士”气质。

就连 1933 年来到此处定居的最著名的天才——爱因斯坦也忍耐不住嘲弄：“这是传统老派的村子，这里的人就像踩着高跷的小精灵。”

已经走上了通往学术道路的研究生，有一部分远离了大学里轻浮的一面。物理系尤其能与时俱进。费曼冷眼旁观，从人数比例来看，普林斯顿大学的物理学家们出现在当时的学术刊物上的频率似乎过高了。

即便如此，费曼还是要努力适应这里的环境。普林斯顿大学比哈佛大学和耶鲁大学更具有英国名校的风格，还带有庭院和住宿“学院”。在研究生院，门卫监管着楼梯入口。这种正式的气氛让费曼感到害怕，直到他发现学生们会在黑袍子下面裸露着胳膊或穿着网球服。

1939年秋天，费曼来到普林斯顿大学。每周日与院长艾森哈特（Eisenhart）共进下午茶，让他对社交紧张不安。他穿着西装，走进门看见年轻的女孩们，这比他想象的还要糟糕。他不知道自己应该往哪儿坐。一个声音出现在费曼身后：“先生，你想要在茶里加奶油还是柠檬？”他转身看见了院长夫人——普林斯顿大学著名的“悍妇”。

据说，数学家卡尔·路德维希·西格尔（Carl Ludwig Siegel）在访问普林斯顿大学一年后于 1935 年回到德国，他告诉朋友们，希特勒很坏，但是艾森哈特夫人更坏。

费曼脱口而出：“都要，谢谢。”

“哈哈哈哈，”费曼听到艾森哈特夫人说，“别逗了，费曼先生！”这句话透露出更多的含义，主要是指责费曼在社交场合的失态。日后只要费曼想起这件事，这句话就在他的耳边响起：“别逗了！”

适应这里的环境可不容易。父母寄给他的雨衣太短了，这让费曼很困扰。他尝试赛艇活动，常春藤联盟的体育运动对来自法洛克威的费曼来说是最不陌生的事——他还记得自己在南岸的河口划船的快乐时光——但很快他就从船上掉落到水里。

他为钱发愁。他在房间里用米布丁和葡萄，或者饼干配花生酱、果冻和菠萝汁招待客人。做助教的第一年，他每周赚 15 美元报酬。为了支付 265 美元的账单，他去兑现支票，花了 20 分钟计算哪种组合方式损失的利息最少。他发现，最糟的和最好的方式利息只差了 8 美分。从外表上看，他不再像过去那样粗鲁无礼。他来到普林斯顿大学不久，虽然还没有见过爱因斯坦，但研究生院的邻居们都觉得他和爱因斯坦说话的语气一样。邻居们敬畏地听着费曼在大厅公用电话上与他们以为的那位伟人的对话：“对，我试试……对，我就是那样做的……哦，好，试试。”实际上，费曼大部分时间只是在和惠勒对话。

费曼担任惠勒的助教，一开始是力学课，后来是核物理课。费曼很快发现，他要在教授缺席的时候代课。（费曼这才意识到，他如果选择这条学术的职业道路，就必须经常面对坐满教室的学生。）他每周和惠勒见面，讨论他们自己的课题。起初是惠勒布置题目，后来两人建立了相互合作的模式。

在 20 世纪的头 40 年里，物理学涵盖的范围急剧扩大。相对论、量子力学、宇宙射线、放射性、核反应——这些新领域争取到了顶尖物理学家们的关注，他们开始排斥力学、热力学、流体力学和统计力学这些经典物理学的领域。对于一个刚刚接触理论问题的聪明的研究生来说，这些经典领域就像是科学教科书般不可动摇，已经成为历史的一部分，而且在工程领域得以应用。用物理学史作家亚伯拉罕·派斯的话说，物理学的边界是向内的，向着理论物理学家奔赴的原子核心深处。一切“之最”聚集于此：实验设备最贵（机器动辄几千万美元），耗能最高，实验所用的物质和“粒子”（这个词的意义有待确定）最神秘，思想最天马行空。

众所周知，相对论改变了天文学家对宇宙的认识，却在原子物理学中找到了最常规的应用。原子中存在着接近光速的运动，使相对论数学变得至关重要。实验物理学家在学会用更高的能量水平做实验的时候，发现物质的组成成分其实是比原来更基本的新单位。通过量子力学，物理学已经取代了化学所获得的最基础科学的地位，负责解释自然界的基本成分。

20 世纪 30 年代末 40 年代初，粒子物理学还没有确立它后来在各学科关系之间的主导地位。在 1940 年召开的理论物理的年度华盛顿会议上，组织者选定的主题是“基本粒子”。同时，研究地球内部的历史悠久的地球物理学为年会选定的主题是“地球内部”。尽管如此，无论是费曼还是惠勒，都不关心纯粹理论物理学家的焦点应该转向哪里。量子力学的核心弱点就是基础科学中的基础问题。在麻省理工学院，费曼读了狄拉克在 1935 年发表的文字后感到绝处逢生，狄拉克写道：“看来，这里需要一些新的物理学思想。”狄拉克和其他先驱们已经竭尽所能地采用了新的方法来处理问题，其中包括量子电动力学，这是关于电、磁、光和物质相互作用的理论。但是狄拉克很清楚，这些方法还不完整。

最困难的问题是电子，它是带负电的基本粒子。虽然许多高中的学生今天都会用桌面实验演示单个电子不连续的带电量（就像费曼在法洛克威做过的那样），但是，电子的概念在现代科学体系中还相当年轻。电子究竟是什么东西？X 射线的发现者威廉·伦琴在 1920 年之后在他的实验室中禁止使用“电子”这个新发明的术语。量子力学的研究者，试图在几乎所有的新公式中尝试描述电子的电荷、质量、动量、能量或自旋，但仍然对电子的很多问题束手无策。特别麻烦的问题是，电子到底是有限小的颗粒还是无穷小的点？在玻尔已经老掉牙的原子模型中，电子被想象成围绕原子核旋转的小球。而现在看来，原子中的电子更像是在进行一种和谐的振荡。在量子力学的一些公式里，电子被写成了一个波动的形式，波动代表了电子在特定时间出现在特定位置的概率分布。但是，出现的是什么东西？是实体，是单位，还是一个粒子？

实际上，在量子力学出现之前，经典物理学的概念就已经开始动摇。将电子能量（也就是质量）和电子的电荷联系起来的方程，暗示出另一个量，即电子的半径。随着电子缩小，能量就会增大。就像木匠的锤子集中敲打一枚钉子的时候，每平方英寸上受到的压力有数千磅。更麻烦的是，如果电子是一个体积有限的小球，那到底是什么样的力量或黏性可以让它在自己的电荷作用下保持稳定而不支离破碎呢？物理学家发现自己推算出来一个量，叫“经典电子半径”。从某种程度上说，“经典”在这里表示“虚幻”的含义。如果是另一种情况呢？电子不是有半径的小球，而是无穷小的点，电动力学的方程中就会出现除以零的情况。就像无穷小的钉子，会带来无穷大的压力。

在某种程度上，方程是在测量电子的电荷对电子自身的影响，也就是它的“自能”。这种影响随着距离的缩小而增加。那么电子可以距离自身多近呢？如果距离是零，影响的效果就是无穷大，而这是不可能的。量子力学的波动方程只是让无穷大变得更复杂了而已。物理学家不再像小学生那样恐惧除以零的计算，却要考虑方程中边界的溢出，要结合很多无穷多的波长和无穷多的振荡。只不过，费曼在当时还不能完全理解这些问题。面对简单问题的时候，物理学家用权宜之计，尴尬地舍弃掉方程中有分歧的部分，暂且能得到合理的答案。但是，狄拉克在他的《量子力学原理》中总结道，电子的无穷小意味着现有理论的缺陷，看来，这里需要一些新的物理学思想。

费曼默默地呵护着一个如此激进而直接的解决方案，只有对过去的传统文献一无所知的人，才会觉得这种解决方案有吸引力。他私下提出了一个设想，电子根本不能作用于自己。这个想法似乎是在自我论证，看起来傻里傻气。但是他意识到，消除电子对自己的作用就意味着消除了电场本身。电场是所有电子的电荷的总和，是电子自作用的媒介。一个电子把自己的电荷贡献给电场，又反过来被这样的电场影响。假如不存在电场，小球型的电子模型就被破坏了。每一个电子都直接对另一个电子产生作用，电荷之间只允许有直接的作用力。无论这种作用力是什么，它的传播速度都不能超过光速，所以在方程中还必须考虑作用力在时间上的延迟。相互作用就是光，以无线电波、可见光、X 射线或其他任何形式的电磁波向外辐射。费曼后来说：“摇动这个电子，另一个电子随后也晃动起来。太阳中的原子摇动了，因为直接的影响需要 8 分钟才能来到我的眼前，所以我眼中的电子在 8 分钟之后会跟着晃动。”

没有电场，也没有自作用。费曼的态度中隐含着一种意识，他觉得自然规律不是被发现的，而是被人为建构起来的。虽然语言模糊了两者的区别，但费曼问的不是电子是否作用于自身，而是理论物理学家能否合理地抛弃这个概念；不是电场是否真实存在于自然界中，而是电场是否必须存在于物理学家的思维中。

当爱因斯坦抛弃以太的概念的时候，他报告以太并非真实的存在，就像一位外科医生打开了病人的胸腔，报告没有发现血淋淋的跳动着的心脏。

电场很不一样。它一开始就是人造的概念，不存在实体。19 世纪的英国人迈克尔·法拉第和詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发明了电场的概念，并把这个概念用到了可有可无的情景中。他们写下“磁力线”的时候，不是想表达字面的意思。

虽然法拉第确实看到了磁场附近的铁屑排列的形态，麦克斯韦想象着空间中充满了这种看不见的非机械性的旋涡，但是他们想让读者理解，这只是一个类比，凭借的是全新、强有力的数学直觉。

图灵新知  2026 年 4 月 3 日 08:12  北京