理查德·费曼(Richard Feynman):一位极具影响力的物理学家?
人物生平早年生活
费曼
1918年5月11日,费曼在美国纽约降生,其父名为麦尔维尔·阿瑟·费曼,其母叫露茜尔·菲利浦,两人均为犹太族裔,他们还有一个妹妹琼,年龄比费曼小九岁,兄妹俩情同手足,琼后来也投身物理学研究。费曼在长岛南部的法罗克维度过了童年时光。
父亲的早年培养对费曼后来的教学产生了巨大价值。麦尔维尔在他心中种下了对自然风光的热爱和欣赏,还激发了他想要与他人分享这种激情的强烈愿望。
求学生涯
1935年进入麻省理工学院(MIT),先学数学,后学物理。
1939年完成大学学业,其毕业研究成果刊载于《物理评论》期刊,其中包含一个后以他命名的重要量子力学表达式。
1939年9月,作为惠勒(J.)的研究生在普林斯顿大学学习,专注于探索量子力学中的难题,特别是其中的无穷大难题。
1942年6月获得普林斯顿大学理论物理学博士学位。
职业生涯
1942年,费曼时年二十四岁,他加入了美国的原子弹研发团队,参与了名为“曼哈顿计划”的核武器研制绝密行动。
1945年7月16日5时30分,由美国研发的全球首个原子弹试验品在美国新墨西哥沙漠区域发生爆炸。
二战期间费曼受聘为普林斯顿大学的美国原子弹项目成员,后于1943至1945年期间在洛斯阿拉莫斯的新墨西哥秘密研究所工作。在洛斯阿拉莫斯国家实验室,他担任曼哈顿计划理论小组的负责人。
1945年6月16日,费曼的结发妻阿琳·格林鲍姆离世。紧接着那一年,费曼在康奈尔大学承担教学任务。
1945年7月16日,他目睹了世界上第一枚原子弹在美国新墨西哥阿拉莫戈多试爆。
1946年10月,麦尔维尔因中风离世,这让费曼情绪低落。
1949年,费曼提出了“正电子理论”,并撰写了关于“量子电动力学的空时研究”的论文,针对电子与光子的相互作用,阐述了具体的费曼图示和费曼法则。
1951年,他进入加州理工学院学习,在那里,他凭借风趣活泼、独树一帜的教学方式,赢得了众多学生的喜爱。加州理工学院将他的众多授课内容整理成册,推出了《费曼物理学讲义》,人们称他为“导师中的导师”。
1961年9月至1963年5月期间,于加州理工学院教授大学基础物理知识,相关录音资料经同事协作完成整理编辑,最终汇编为《费曼物理学讲义》。
1965年,费曼因为量子电动力学领域的成就,和施温格、朝永振一郎共同赢得了诺贝尔物理学奖。
1968年提出费曼强子结构模型。
1972年获得的奥尔斯特教育奖章。
晚年,费曼致力于完成前妻阿琳所看重的诸多事务,他尝试着拿起画笔,并且创作出不少令人称赞的素描与油画。
1986年,参与调查“挑战者号”航天飞机失事事件。
1986年挑战者号航天飞机发生爆炸,费曼受托查明事故缘由。他进行了标志性的O型环实验,仅用一杯冷水与一个橡胶圈,就在国会向民众阐明了挑战者号坠毁的关键因素——低温导致橡胶失去韧性。
1988年2月15日,费曼因腹膜癌逝世于加州洛杉矶,享年六十九岁。
学术思想
费曼的学术理念渗透在他日常生活的方方面面,其思考的深度和范围十分深远,从参与“曼哈顿计划”,到经历妻子阿林的离世,再到在加州理工学院的教学活动中都有所体现。
教学科研
费曼
费曼倡导物理学习与研究要勇于开拓、锐意进取;物理教学需将理论与实践紧密结合;物理教学目标应具备多元性。要关爱学生、珍视教学;要革新教育理念、追求教学方法的创新;要致力于科学发现、注重理论与实践的统一;要掌握正确的自然探究途径;借助这种方法获得的知识,能够提升开展新工作的本领。费曼归纳了钻研物理学的五个益处:首先掌握计量和推算,及其在各领域的运用,有助于塑造工程师;其次培养科研人员,他们不仅推动工业发展,也促进人类智慧的提升;再次领悟自然精妙,体会世界稳固和真切;接着掌握从未知到已知,科学探索的途径;最后通过试错,学会具有普遍价值的自由求索的创造意识。
费曼常从学生疑问中获得新灵感,进而产生诸多新思考。他的授课极具感染力且热情洋溢。费曼认为,人们首先会铭记他的是其教学成就。加州理工学院将他的系列授课内容汇编成册,命名为《费曼讲物理》也就是《费曼物理讲义》。
他在这个学科上的核心成就是系统性地拓展了量子学说用于尖端学术方向时所依赖的专门技术,并且因此对该学界的最新发展产生了深远作用。费曼路径积分、费曼图以及费曼规则,都是当代理论物理学者必备的核心方法,运用量子学原理于电子、质子与光子等具体学科领域时不可或缺,它们为量子学原理与爱因斯坦狭义相对论要求相契合提供了基础手段,然而这些概念均非轻易就能掌握。费曼量子力学路径积分方法是一种独特的“历史累积”方法,其重要性不容忽视。经典量子力学存在两种主要表述,分别是薛定谔的波动形式和海森堡的粒子形式,而费曼则开创了量子力学的第三种表述,即基于作用量的路径积分形式。路径积分的构思有助于理解事物运行的方式,能够提供一种清晰的思维框架。这种做法同样可以得到其他两种方式相同的结论,并且它对经典物理学同样适用,让人可以明白经典物理学与量子物理学之间明确的关联,说明在更深的层面上两者其实是统一体系的一部分。
社会贡献科学贡献
费曼与盖尔曼
费曼在四十年代创立了通过路径积分描述量子效应的途径,接着在1948年构建了量子电动力学的全新理论框架,完善了相应的计算方案和修正技术,以此克服了该理论原有的无穷大难题。量子场论领域里,诸如费曼幅值、费曼传递函数、费曼范式等核心概念,都冠以他的名字来纪念。
费曼图表由费曼在四十年代末首创,旨在说明不同场之间的相互影响,能够清晰明了地揭示出物理过程的内在特性,现在仍然是物理学中描述电磁相互作用的主要工具,并且被广泛使用。这种图表改变了人们理解物理现象和进行数学描述的方法。费曼总是用他个人特有的方法来探索物理学。他不受薛定谔的波函数和海森堡的矩阵这两种既有方法的影响,另辟蹊径地建议运用跃迁振幅的空间-时间描绘来分析概率现象。他基于概率振幅叠加的根本理念,借助作用量的表述方式,将所有从一个时空位置到另一个时空位置的可能轨迹的振幅进行累计。这种做法清晰易懂,最终演变成了量子力学中第三种阐释方式。
1968年,费曼基于电子深度非弹性散射实验,并参考布约肯的标度无关性观点,构建了高能碰撞中的强子结构理论。该理论主张强子由大量点状粒子组成,这些点状粒子被称为部分子。一些子模型对于阐释高能实验现象效果显著,它们能够充分展现轻子与核子深度非弹性散射、电子对消失、强子行为以及高能强子碰撞等高能事件的细节,同时在这些事件的分析中不断深化了强子构造的物理认知。
费曼在量子电动力学领域成就斐然,同时构建了描述液态氦超流态特性的数学框架,这一理论极具创新性。他与默里·盖尔曼在弱相互作用研究方面成果卓著,特别是在β衰变现象上取得了突破性进展。费曼还提出了高能质子碰撞的层子模型,这一构想对夸克理论的完善起到了关键作用。
教育贡献
费曼
费曼具备一项独特才能,能够将深奥的见解,借助平实的措辞加以阐明,因而堪称杰出的知识传播者。在他荣获的各项荣誉里,1972年获得的奥尔斯特教育奖章是他最为珍视的成就。
1962年面世的《费曼物理学讲义》受到《科学美国人》的高度评价:该书虽然颇具挑战性,但知识体系完备且能激发思考,二十五年后,它已发展成为教师、学者及基础学力较强的学子们的参考范本。费曼在卷首语中阐明了自己的教学宗旨:并非旨在协助学生通过考核,也不是为了满足工业或国防的需求。我最渴望实现的目标是,引导你们领略这奇妙的世界,并理解物理学探究它的途径。
为了提升大众对物理学的认知水平,费曼创作了《物理学的本质》与《量子电动力学:光和物质的奇异学说》等作品。此外他还发表了众多深奥的专业论文和书籍,这些文献成为科研工作者和求学者的权威资料和教学参考。
20世纪60年代,费曼任职于加州课程设计委员会,他针对教科书的低劣质量,积极采取行动,提出异议。
社会评价
费曼
弗里曼·戴森说过,戴森一半是天才,一半是搞笑角色,后来他对费曼有了更深的认识,把评价调整为,费曼全然是天才,全然是搞笑角色;费曼不采用常规的数学方法,而是用他独特的风格,实际上重新构建了几乎整个物理学体系。
沃尔夫冈·泡利表示,为何这位年轻才俊说话行事,竟似个不事生产之人,实在令人费解。
费曼的弟子讲道:那些微小的粒子,他总是形容为不停变化的,如同舞者一般,挺直身姿四处移动,双臂划出繁复又雅致的轨迹。
玻尔说,费曼充满自信且品格端正,他不惧怕任何权威,是唯一一个不害怕自己,敢于指出他错误的人。
奥本海默说:此人是该领域最具才思的青年学者,他性情极富魅力,颇具个性,教学能力出众,对物理学所有分支都怀有炽热情感。
莱顿(费曼的朋友)说:费曼性格突出,风格独特,思维非常自由,倾向于自己探索道路,并且不固守成规,对知识的渴求非常旺盛,提倡成为自己思想的引导者提升独立思考本领。
威廉·福勒说:只需提供一些提示,他就能在思维和构思上实现突破,他对于他人极具助益,能激发大家的热情,他关注所有事物,称得上是难得的杰出人物。
古德斯坦表示,费曼的科研成就非常独特,其价值极为重大,这种贡献是任何他人都无法比拟的;费曼凭借自身的人格魅力和独特见解,对科学界产生了深远影响;他重新梳理并系统化地阐述了量子力学,实际上等于对该理论进行了彻底的革新;并且,他呈现给世人的是如今理论物理各个分支普遍采用的研究方法。
后世纪念
1988年2月16日,费曼离世次日,加州理工学院那座十层楼高的图书馆顶端,学生们挂起了一幅布幡,布幡上印着一行字迹,内容是表达深情的话语,具体内容为“我们爱你,迪克”。
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