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費曼的6堂Easy物理課(改版)

費曼的6堂Easy物理課(改版)

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9789863202646
費曼
師明睿
天下文化
2013年8月22日
100.00  元
HK$ 85
省下 $15
 
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叢書系列:科學文化
規格:軟皮精裝 / 228頁 / 21*14.8cm / 普級 / 單色印刷 / 初版
出版地:台灣


科學文化


自然科普 > 物理/化學 > 概論















作者簡介

費曼Richard P. Feynman

  1918年,費曼誕生於紐約市布魯克林區,1942年,從普林斯頓大學取得博士學位。第二次世界大戰期間,他曾在美國設於新墨西哥州的羅沙拉摩斯(Los Alamos)實驗室服務,參與研發原子彈的曼哈坦計畫(Manhattan Project),當時雖然年紀很輕,卻已經是計畫中的重要角色。隨後,他任教於康乃爾大學以及加州理工學院。1965年,由於費曼在量子電動力學的成就,與朝永振一郎(Sin-Itiro Tomonaga)、許溫格(Julian Schwinger)兩人,共同獲得該年度的諾貝爾物理獎。

  費曼博士為量子電動力學理論解決了不少問題,同時他首創了一個解釋液態氦超流體現象的數學理論。之後,他跟葛爾曼(Murray Gell-Mann)合作,研究弱交互作用(例如貝他衰變),做了許多奠基工作。後來數年,費曼成為發展夸克(quark)理論的關鍵人物,提出了在高能量質子對撞過程中的成子(parton)模型。

  在這些重大成就之外,費曼博士把一些基本的新計算技術跟記法,介紹給了物理學。其中包括幾乎無所不在的費曼圖,因而改變了基礎物理觀念化與計算的過程,成為可能是近代科學史上,最膾炙人口的一種表述方式。

  費曼是一位非常能幹有為的教育家,在他一生所獲多得數不清的各式各樣獎賞中,他特別珍惜1972年獲得的厄司特杏壇獎章(Oersted Medal for Teaching)。《費曼物理學講義》一書最初發行於1963年,當時有位《科學美國人》雜誌的書評稱該書為「……真是難啃,但是非常營養,尤其是風味絕佳,為二十五年來僅見!是教師及最優秀入門學生的指南。」為了增長一般民眾的物理知識,費曼博士寫了一本《物理之美》(The Character of Physical Law)以及《量子電動力學》(Q.E.D.: The Strange Theory of Light and Matter)。他還寫下一些專精的論著,成為後來物理學研究者與學生的標準參考資料跟教科書。

  費曼是一位建設性的公眾人物。幾乎家喻戶曉他參與「挑戰者號」太空梭失事調查工作的事跡,尤其是他當眾證明橡皮墊圈不耐低溫的那一幕,是一場非常優雅的即席實驗示範,而他所使用的道具不過冰水一杯!比較鮮為人知的事例,是費曼博士於1960年代中,在加州大學課程委員會任上所做的努力,他非常不滿當時教科書之庸俗平凡。

  僅僅重複敘說費曼一生中,於科學上與教育上的無數成就,並不足以說明他這個人的特色。正如任何讀過他即使最技術性著作的人都知道,他的作品裡外都散發著他鮮活跟多采多姿的個性。在物理學家正務之餘,費曼也曾把時間花在修理收音機、開保險櫃、畫畫、跳舞、表演森巴小鼓、甚至試圖翻譯馬雅古文明的象形文字上。他永遠對周圍的世界感到好奇,是位一切都要積極嘗試的模範人物。

  費曼於1988年2月15日在洛杉磯與世長辭。

審訂者簡介

高涌泉

  加州大學柏克萊分校物理博士。現任臺灣大學物理學系教授,專長為場論與粒子物理,認為量子力學是最奇妙的學問。喜歡柏拉圖、達爾文、愛因斯坦、費曼、魯迅的作品,也喜歡看各式各樣的電影與棒球比賽。除了學術論文以外,著有《另一種鼓聲:科學筆記》、《武士與旅人:續科學筆記》。

  翻譯本書第6堂課。

譯者簡介

師明睿

  普度大學生物化學博士。先後在衛生署預防醫學研究所、中研院生醫所及生農所籌備處從事研究,參與台灣疫苗政策評估規劃、日本腦炎新款疫苗研發、以及中草藥金線蓮藥理之動物研究,現任職於疾病管制局。暇時從事自由翻譯工作。譯作有《費曼的6堂Easy物理課》、《費曼的6堂Easy相對論》、《觀念物理Ⅲ:物質三態.熱學》(皆為天下文化出版)等。

  翻譯本書第1-5堂課。



出版緣起
導讀 偉哉!費曼 戴維思

第1堂課 運動中的原子
物理該從哪兒學起?
一切物質由原子組成
原子與變化過程
化學反應

第2堂課 基本物理學
這就是科學方法
1920年以前的物理學
量子物理學
原子核與粒子

第3堂課 物理學與其他科學的關係
物理無所不包
化學
生物學
天文學
地質學
心理學
它是怎麼來的呢?

第4堂課 能量守恆
能量是什麼?
重力位能
動能
其他形態的能量
其他守恆律

第5堂課 重力理論
行星運動
刻卜勒定律
動力學之發展
牛頓的重力定律
萬有引力
卡文迪西實驗
重力究竟是什麼?
重力與相對論

第6堂課 量子行為
原子力學
子彈實驗
水波實驗
電子實驗
電子波的干涉
觀看電子
量子力學的首要原理
測不準原理

附錄一 最偉大的教師
附錄二 費曼




出版緣起

  這本書《費曼的6堂Easy物理課》之所以面世,乃是基於我們認為有此需要,把基礎物理知識中,一些經過費曼教授認知、篩選、整理出來的,非常重要但技術性不高的部分,能夠廣為介紹給一般讀者大眾。我們從費曼最著名的劃時代作品,發行於1963年的《費曼物理學講義》(Lectures on Physics)中,挑選出最容易叫人懂的6堂課來,彙集成此書。讀者的運氣算不錯,費曼當年在撰寫該套課程講義時,在討論一些重要議題上,他沒有依樣畫葫蘆按照教科書的慣例,全部倚賴數學的幫助來作闡釋。費曼獨樹一幟,選擇了偏重描述的方式。我們特別把這些個絕少數學式的課程單元,湊合到一塊,遂成為本書的內容。

  珀修斯圖書公司(Perseus Books)藉此機會,向戴維思(Paul Davies)教授致意,謝謝他特地為這本新輯,撰寫了一篇卓有見地的導讀。我們把他這篇導讀放在書首。接下來是從《費曼物理學講義》轉載過來的兩篇序文,一篇是費曼教授本人所撰,另一篇則出自他的兩位當時同事之手。轉載的原因是這兩篇序文裡面,談到《費曼物理學講義》各章之間的來龍去脈,同時也告訴我們一些費曼個人生活細節,以及他對科學的看法。

  最後,我們要感謝加州理工學院物理系所檔案室的所有工作同仁,特別是古德斯坦(Judith Goodstein)博士的鼎力相助。此外還要感謝哈特菲德(Brian Hatfield)博士,他從此書的最初起意,到終於付梓出版的這段時日中,不斷提供我們非常寶貴的參考資料和建議。

  ■中文版編輯說明:

  1. 本書《費曼的6堂Easy物理課》與姊妹作《費曼的6堂Easy相對論》都收錄了《費曼物理學講義》轉載來的兩篇序文。為了維持這兩本衍生作品各自的連貫性,在中文版裡,轉載而來的兩篇序文皆放在書末附錄中,請見附錄一〈最偉大的教師〉及附錄二〈費曼序〉。

  2. 《費曼物理學講義》英文版是一套三巨冊的巨著(中文版拆成十四冊),成書時間早於《物理之美》。本書的六堂物理課,依序取自《費曼物理學講義》第I卷〈力學、輻射與熱專輯〉的第1章、第2章、第3章、第4章、第7章及第37章(也是第III卷〈量子力學專輯〉的第1章),其中後三堂講解能量守恆、重力理論、量子行為的課,部分內容與《物理之美》略有重疊。

  3. 中文版的費曼照片,均購自the Archives, California Institute of Technology(加州理工學院檔案),獲得授權使用。

導讀

偉哉!費曼

  社會上普遍有種錯誤的想法,總以為科學是完全客觀的,不但不會因人而異,更不會感情用事。對比之下,科學以外的各種人類活動,則多多少少會受到一般潮流動向、突發的時尚風潮,以及當事人的性格、偏好所左右。唯有科學,得受制於科學社群都同意的規則、步驟,與嚴密的測試、檢驗。科學僅著重於得到的結論,而不在乎誰是做研究、做實驗的人。

  以上說法顯然是無稽之談,科學既然靠人推動,就跟其他人類活動相同,都會受到大環境趨勢及個人意念的影響。在科學領域,研究潮流的趨向受到主題素材選擇的影響並不大,卻相當取決於當時科學家對整個世界的看法。

  每個時代的科學研究,都會各自開闢路徑,走出自己的不同方向來。一般是由少數幾個能力卓越的人士在前面領導開路,然後大批研究人員在後跟進,那些開拓者不但訂定了此後的研究內容與程序,通常還會指明,什麼是用來解決問題的最好方法。有些時候,少數科學家在獲致相當身分地位後,往往躋身成為家喻戶曉的人物。而其中三、五佼佼者,因為天才橫溢,甚至被整個科學社群尊崇為偶像。

  在過去幾個世紀裡,牛頓一度就是這麼一位科學偶像。牛頓在有生之年,以身作則,樹立起紳士型科學家的典範。他為人熱情虔誠,人際關係良好,遇事不慌不忙,一切講究方法。他研究科學的方式,在其身後長達兩百年期間,被人們摹仿,並奉為圭臬。

  一直要等到二十世紀的前五十年裡,愛因斯坦崛起,才逐步取代了牛頓,成為科學家心目中的新偶像。愛因斯坦的諸般想法皆與眾不同,他平素不修邊幅,一派德式作風,外表看來一副漫不經心的模樣,其實整個人的心思全集中在研究工作上,是一位不折不扣的抽象派思想家。愛因斯坦喜好追究問題背後的基本概念,也因此改變了近代物理學的走向。

  打造新物理學的第一層樓

  如今,費曼已經成為二十世紀末物理學界的新偶像,為美國獲得如此崇高地位的第一人。1918那年,費曼出生於紐約州,在美國東海岸一帶成長受教育。因為出生年份稍晚,沒能夠趕上那個發生在本世紀頭三十年間,光輝燦爛的物理學黃金時代。在那個時代,物理學有兩項革命性的偉大發現,那就是相對論與量子力學的同時興起。除了世人為之觀感完全一新外,這兩樣新發現也奠下了如今我們稱之為「新物理學」這棟大廈的地基。

  費曼的事業從一開始,就是在這棟新大樓地基上,協助建造出新物理學大廈的地上第一層。他所做的貢獻幾乎遍及這門新學問的各個細枝末節,並且深刻雋永的影響到當今物理學家對物質宇宙的看法。

  費曼是一位出類拔萃的理論物理學家。他的兩位前任偶像中,牛頓身兼實驗跟理論大師,且在修為程度上,雙方面無分軒輊。而愛因斯坦簡直可說是完全藐視實驗,他寧可把自己的一切信念都訴諸於純淨的思考。

  費曼礙於所處的時勢環境,不得不創建出一套理論性的說法來闡述大自然,但他卻始終能夠保持不跟那個只顧現實、裡面布滿糟渣陷阱的實驗世界,完全脫節。甚至在他辭世之前不久,年邁的費曼教授還在眾目睽睽之下,手裡拿著一個橡皮環,浸入冰水,來說明「挑戰者號」太空梭何以發生了災難。凡是目睹過那一幕的人,都被深深感動。費曼的確是一位擅長引人注目、並且十分務實的思想家。

  在事業初期,費曼在研究次原子粒子理論上,尤其是在所謂的量子電動力學(quantum electrodynamics,簡稱QED)議題方面,闖出了極響亮的名聲。事實上,整個量子理論正因為該議題才蓬勃發展起來。

  早在1900年,德國物理學家蒲郎克(Max Planck)就提出報告說,前此被大家認為是「波」的光及其他電磁幅射,在與物質發生交互作用時,行為卻很弔詭的像極了一個個小包裝的能量,亦即所謂「量子」。由於跟光扯上了關係,這些量子後來又稱作光子。在1930年代初期,研究這門嶄新量子力學的學者曾經想辦法拼湊出一套數學架構,來描述諸如電子之類的帶電粒子如何釋出跟吸收光子。雖然這項早期的QED表述系統多少跟實際現象有些相容之處,但它的理論顯然有重大瑕疵。在許多情況下,用它來計算特定的物理問題所得到的答案,往往前後矛盾,甚至出現無窮解。

  費曼圖另闢蹊徑

  1940年代末期,當時仍甚為年輕的費曼,把他的注意力轉移到這個問題上,開始想法子打造一個不矛盾的QED理論來。

  為了健全QED的理論根基,新理論不但必須切合量子力學的原理,還不得與狹義相對論的原理衝突才行。然而量子力學和相對論這兩套理論,各自擁有獨特的數學機制,裡面各自包含非常繁複的方程系統。理論上,只要把兩個數學機制結合攏來,經過妥當搭配,自然能夠產生出一套讓人滿意的QED理論素描來。不過如此說來似乎容易,要付諸實現可是困難重重,在在需要極高難度的數學技巧。這也正是與費曼同時期的物理學家一致努力的方向,也無怪大夥兒成績都乏善可陳。

  然而費曼本人呢,他卻沒跟著大夥兒一起起鬨、兜圈子,他另闢蹊徑,找到了一個截然不同的解決方法。費曼的方法到底有多麼不同呢?事實上,他能夠完全不動用數學,就把答案直截了當的寫下來。

  為了幫助演繹他這個憑藉直覺而來的不尋常成就,費曼發明了一套冠以其名的簡單圖解系統——費曼圖,雖只是些符號,但在描述電子、光子及其他粒子之間交互作用時所發生的一切,具有無與倫比的啟發性。如今費曼圖已廣為科學家採用,當作輔助計算的例行工具,但是當初在1950年代初期剛問世時,它可是出乎一般人意料之外,且被認為是與研究理論物理的傳統方式大相逕庭的做法。

  雖然量子電動力學在物理學發展過程上,是件劃時代的大事,但是為它建立一個不矛盾的理論這件事,對費曼來說,僅只是他一生事業的開端。並且藉此考驗,費曼樹立起個人獨特的處事風格,此風格種下了宿因,使他爾後在物質科學的諸多項目上,一連串獲致許多極重要的成果。所謂的費曼風格,可以詮釋為一種對人類既有智慧抱著尊崇但不拘泥的態度。

  治學態度灑脫不羈

  物理學是一門講究精確的科學,其中已累積下來的知識雖仍非完備,卻不能被輕易擱在一邊,不加理睬。

  費曼年紀輕輕時,就已經把物理學上所有已被接受的原理,了然於胸。後來他做研究時所選題材,幾乎全部屬於傳統問題。他不是那種天才人物,喜歡獨自前往人們不注意的範疇內拚命努力,以期能撞見奧妙的新事物。他的特殊天分,是擅長找出與眾不同的方式,來解決熱門的主流問題。也就是說,他能夠避開既有的老套框框,靈活運用直覺,建立他自己的法門。

  相對之下,絕大部分的其他理論物理學家,篤信謹慎、仔細的數學計算;對他們來說,數學計算不只提供他們到未知領域的方向指引,也是幫助他們隨時保持平衡,避免摔跤的枴杖。而費曼的治學態度則非常瀟灑不羈,讓你覺得他能夠一眼看透大自然,簡單得有如翻書一樣。然後根據他的了解,不須經過麻煩複雜的分析,就能直截了當的把結果描述出來。

  確實,費曼這種做研究的態度,表現出他對拘泥於形式,抱持正面的蔑視。不過我不確知在這背後,需要什麼樣程度的創造天分來配合,才能具體實現。

  理論物理學是一種最難的腦力激盪,它是一些難以想像的抽象觀念跟極其艱深複雜的數學的組合。對絕大多數物理學家來說,似乎唯有保持兢兢業業、遵守最嚴謹的心智紀律,才能冀望有所進境。然而費曼顯然與眾不同,他似乎能夠優游於這些嚴肅課題之間,不用聚精會神,卻一而再、再而三,獲得新的成果,就如同從知識之樹上,摘取現成果子一般容易。

  一生愛開玩笑

  費曼的作風跟他的性情有著極大的關聯,他在工作上和私底下,都似乎同樣把世界當作一場極其有趣的娛樂遊戲,整個物質宇宙以及他周圍的社會環境,都不斷帶給他迷人的疑問和挑戰。

  他一生喜愛開玩笑,完全不把官府當局、學術權威看得很重,就像他從來沒把索然無味的數學形式主義放在眼裡一樣。他這輩子從未心甘情願,容忍世間任何他認為愚蠢的事物,只要他發現有任何規範是多餘,或是訂得沒啥道理,他就會斷然我行我素,拒絕遵守該項規則。
在他自傳式的雜記(《別鬧了,費曼先生》、《你管別人怎麼想》)裡,有許多讓人忍俊不禁的有趣故事。包括費曼在戰時,以機智修理了負責原子彈機密的情治人員;開保險櫃;以異想天開的果敢行為,解除異性對他的戒心。而相對之下,對他那座因為研究QED有成、得來匪易的諾貝爾獎,倒是抱著蠻不在乎、一副可有可無的態度。

  除開他厭惡形式框框,費曼對怪異和不明白的事物也非常有興趣。許多人都記得,在他辭世之前不久拍攝的一部紀錄片裡,有一段生動的描寫,講他著迷於一個位於中亞、早已湮滅的古國唐努烏梁海。他的嗜好還包括打森巴小鼓、繪畫、光顧脫衣舞場,以及解譯馬雅文等等。
他那獨特的個性主要是自己培養出來的。雖然費曼不大願意動筆寫東西,但與人交談則口若懸河,一發不可收拾。他極喜歡把心中意念和他過去闖蕩的逸事,當作故事題材告訴別人。這些多年累積下來的軼聞,益發增加了他身上的神祕氣氛,使得他生前就已經成為著名的傳奇人物。

  費曼溫良的風度,則使自己備受學生的歡迎,尤以年輕學子為最,往往把他當作崇拜的對象。1988年,費曼因癌症去世,追悼他的加州理工學院學生,展示出一大幅布條,上面簡簡單單幾個大字:「狄克,我們敬愛您!」(狄克是費曼的暱稱。)

  傑出的傳道解惑者

  隨遇而安是費曼對人生的態度,也是他研究物理的特殊方法,也可說是造就出他這位傑出傳道解惑者的最重要原因。費曼平日忙到根本難得有時間作正式演講,甚至連指導博士班學生也抽不出固定時間來,然而一旦遇到合適機會,他總能夠即席發表精湛的演說,且十足表現出他在研究工作上的特色,諸如閃亮的智慧、深遠的洞察力,以及絕不人云亦云、拾人牙慧等等。

  1960年代初,加州理工學院當局要費曼教一門物理入門課程,對象是剛進大學部的一、二年級學生。在他執行這項任務時,順便給這門課程內容加上了一些精采的題外穿插,並賦予了自己那種獨特風格:集不拘形式、妙趣橫生、不落俗套等特質於一爐。

  幸好他這番寶貴心血,沒有隨著學期結束而煙消雲散。課堂上講解的內容已經被集結成《費曼物理學講義》,留諸後世。在風格與表達方式上,《費曼物理學講義》都跟傳統的教科書大異其趣,但反而因此洛陽紙貴,大大暢銷,並且無遠弗屆,全世界至今有整整一個世代的學子,都曾經受到它的啟發,被它激勵。在發行了三十多個年頭之後,這部書依然是光鮮亮麗,魅力絲毫不遜當年。

  這本《費曼的6堂Easy物理課》,是直接從《費曼物理學講義》精選出來的。原先重輯的目的,是要讓一般讀者從那部劃時代名著內,不太複雜的頭幾章文字裡,直接見識一下費曼的教育家風采。不料這本小書超出了我們的預期,它成為非科學家的物理學入門,也被用來當作介紹費曼這位偉人的初階讀物。

  費曼仔細編寫的這幾堂課文中,最讓人印象深刻的是他利用最淺顯的基本概念、極少的數學演算、極少的專業術語,而能引發出廣博深遠的各種物理見解。他知道如何找出恰到好處的類比,或是引用非常普通的日常實例,讓原理的深奧重點自然浮現出來,並且不會橫生枝節、不至畫蛇添足。

  本書在題材選擇上,旨意不在使它成為近代物理學的概述,而是提供一個體驗費曼物理觀的引子。我們等一會就會發現,他把一些新的見解注入後,譬如力與運動這類既通俗又沈悶的題目,頓時變得鮮活起來。他用日常生活上、或歷史上著名的例子,來說明重要的概念。他處處強調物理學跟其他科學之間有著不可分割的關聯,但也讓讀者確實體認到,物理學是其他科學的基礎。

  物理之美在於定律

  《費曼的6堂Easy物理課》內容一開始,告訴我們物理學植根於對定律的信念。也就是人們相信宇宙間的一切,都是有規律的,而這些規律都可以經過合理的推論,為人們勘破發現。

  但是所有物理定律都不是透明彰顯的,當我們直接觀察大自然時,鮮能一目了然。它們總是深藏不露,似乎是以微妙的密碼形式孕含在我們能見到的自然現象中,叫人想盡辦法、歷經挫折後,仍難以捉摸。而物理學家對此,有個神祕的解密步驟,就是用小心翼翼設計出來的實驗,結合數學上的推演,來破解隱藏著的定律真相。

  物理學中最著名的一個定律,大概是牛頓關於重力的平方反比律。本書第5堂課就在討論這個題目,內容從太陽系跟刻卜勒(Johannes Kepler)的行星運動定律說起。

  但是重力是宇宙間的普遍現象,無遠弗屆。這點讓費曼逮到機會運用天文學跟宇宙學上的例子,使得他的闡述生色不少。在他放映一張球狀星團的照片,來指出其中所含的眾多光點顯然被看不見的力束縛在一起的時候,他變得很情緒化的說道:「任何人如果從這張照片裡看不見是重力在起作用的話,此人一定是中了邪而魂不守舍。」

  其他已知的定律,是關乎自然界中形形色色的非重力的力,用來解釋物質粒子之間如何交互作用,這些不同的力為數並不多。而在這方面,費曼本人有個與眾不同的地方,是他身為歷史上僅有的少數幾位發現物理新定律的科學家之一。他的發現,跟一種影響某些次原子粒子行為的弱核力有關。

  談對稱,說守恆

  高能粒子物理在第二次世界大戰後,成為科學王冠上最耀眼的明珠。當時各國紛紛建造出一個個龐大的加速器,而且緊接著的一段時間內,似乎沒完沒了的,有許多次原子粒子陸續被人發現。整體上,高能物理給人的印象不只是明珠般耀眼,簡直可說是嚇人。

  那時期費曼的研究工作,主要是解釋紛至沓來的實驗結果。那時候粒子物理學家普遍有個共同看法,那就是應該以對稱律與守恆律為出發點,把形形色色的諸多次原子粒子群,異中求同,整理出一些頭緒來。

  事實上,粒子物理學家此時所注意到的許多對稱性問題,在古典物理學早已不是陌生的議題。那些對稱性的議題主要源自空間與時間的均勻性。就拿時間來說吧,除了宇宙學中有個大霹靂(big bang)算得上是代表時間的起始外,物理學就沒有任何其他東西可以用來判別時間上的先後次序。物理學家常說,世界「不因時間的平移而變化」,意指在做各種物理測量時,無論你是選擇子夜或是正午當作零點,對於被描述的物理現象來說,完全不會因此而產生任何差別。一切物理過程都不需要有個時間上的「絕對零度」。

  這個在時間平移情況下所表現出來的對稱性,卻意外暗示出一個最基本、最有用的物理學定律,那就是能量守恆律。能量守恆律說,你可以把能量搬來搬去,甚至改變它的形態,但你既不能創造它,也無法毀滅它。

  費曼借用漫畫人物淘氣阿丹的有趣故事,把這條定律解釋得一清二楚。淘氣阿丹喜歡惡作劇,經常把積木藏了起來,捉弄他的媽媽(詳見第4堂課)。

  量子力學駭人聽聞

  書中最具挑戰性的一篇講義乃是最後一堂課,解釋量子物理。若說量子力學稱霸二十世紀物理學,而且是有史以來最為成功的一套科學理論,則一點也不誇張。

  如今我們若要了解各種物理現象,諸如次原子粒子、原子與原子核、分子與化學鍵、固體結構、超導體與超流體現象、金屬和半導體的電與熱傳導性質、恆星的構造等等,全少不了量子力學。在實際應用上,它更是牽涉廣泛,從雷射到微晶片,不一而足。

  所有這些萬象,全導自一個叫人難以接受的理論,它不但讓人初看之下覺得荒誕不經,再看之後依然無法相信!量子力學開創人之一的波耳(Niels Bohr)就曾經宣稱,只有尚未搞清楚這項理論的人,才不會被它嚇住。

  問題的根源是,量子觀念跟我們從現實所得到的常識印象,不但不吻合,還格格不入。特別是我們會認為,像電子或原子既是實質的物體,就應該各自擁有它獨立的存在空間,是以在任何時刻皆會具備一整套物理性質。但這個看法本身就大有問題。譬如事實上,一個電子就無法同時擁有確切的空間位置以及確切的速率。如果你想單獨找出某一個電子的位置,沒有問題,你可以藉由測量方法為它定位。如果你要單獨測出它的速率,也沒問題,你一樣會得到明確的答案。但是你卻不能針對同一個電子,同時進行這兩項觀測。而在沒法同時觀測的條件下,若要硬說電子同時具有明確的位置與速率,當然毫無意義。

  這種原子粒子性質的不確定性,正是著名的海森堡測不準原理的要義。測不準原理告訴我們,在同一時刻測量到的一些物理性質,諸如位置、速率等,準確度會受到一定的限制。位置的測定數據值愈是精確,速率測定就會變得模糊起來,反之亦然。在涉及電子、光子及其他粒子的運動方式裡,都廣泛的呈現出這種量子模糊現象(quantum fuzziness)。

  某些實驗能夠顯示,粒子遵循著確切的路徑劃過空間,就像子彈順著彈道射向目標一樣。但是在不同安排下,另外一些實驗卻顯示,前個實驗裡的同樣這些粒子,舉止卻一如波,呈現出波特有的繞射和干涉等模式。

  針對著名的雙狹縫實驗結果,費曼的巧妙分析,已經成為科學闡釋史上的一則經典範例。其中他把「駭人聽聞的」波粒二象性抽絲剝繭的剖析了出來。費曼借用了少數幾個極簡單觀念,把讀者帶領到量子理論的祕密核心,讓讀者大眾面對那兒所展示的、非常弔詭的量子真相本質,看得目瞪口呆。

  獨創路徑積分法

  雖然早在1930年代初,量子力學已經上了教科書,但是由於費曼不喜盲從權威的天性,即使他寫此書時年紀很輕,卻寧願自己另創一套方法來解說這項理論。費曼方法的優點,是供給了我們一個清晰的畫面,從而了解自然界裡的量子詭異現象和運作。

  費曼的理念重點是:在量子力學中,粒子穿過空間的路徑一般都不是非常明確的。我們可以想像有一枚自由運動的電子,從A點行進到B點之前,它並非如同我們依據常識的判斷,理所當然的只走兩點之間的直線而已,而是一大堆左搖右晃的不同路線。費曼要我們想像,實際上那個電子會去試探所有的可能路徑,因而在無法測定那個電子到底走了哪條路的時候,我們必須假設,所有可能的不同路線都或多或少要對實際呈現的結果做出一些貢獻。因此當一個電子到達空間中的某一位置,例如目標屏幕時,在那一霎那之前,可能有許多不一樣的歷史,它們都必須整合起來,才能真正抓住這個事件的因果、始末關係。

  費曼的所謂路徑積分(path integral)或歷史總和(sum-over-histories)法,用來處理量子力學,可清楚表達出:這個不尋常的量子力學概念無非是建立在一個數學程序上而已。
他這個看法發表後,有許多年不太被別人當一回事,咸認為不過是奇談一樁罷了。但到後來,當有些物理學家想要探測量子力學的極限,並試著把它應用到重力或甚至宇宙學上時,居然發現費曼的方法提供了大家一個描述量子宇宙的最好計算工具。青史上將來一定會有公斷,費曼提出的量子力學路徑積分法,在他一生對物理學的眾多傑出貢獻中,影響是否最為深遠。

  最深刻的科學哲學家

  這本書討論到的許多觀念,哲學意味都非常濃厚。但是奇妙的是,費曼一生卻從不相信哲學家。

  我有一次出難題問他,數學及物理定律之間有何本質上的關係?抽象的數學定律可否認定成一種獨立無羈絆的柏拉圖式存在而已?費曼起先發表了一段興致洋溢、極富巧思的說詞,解釋為何至少從表面上看來,事實確乎如此。但當我進一步逼迫他,要求他就此為例,表明他的特殊哲學立場時,他馬上把話題打斷岔開。同樣有次當我企圖逗引他,請他發表一番他對化約主義的看法時,一向口若懸河的他,即刻變得謹慎木訥起來。

  經過事後思考,我如今相信,基本上費曼並非故意蔑視哲學問題。正如同他能夠不動用系統數學,卻做好了數學物理學一樣,他未嘗借用系統化哲學理論,卻能夠創造出一些非常正點的哲學見解來。因此他對哲學之所以閉口不談,是厭惡哲學中的濃厚形式主義色彩,而非它的內涵。

  隨著世局環境變遷,許多往事一去不再,將來要再出現另一個費曼,恐怕沒有那麼容易了。費曼十足是因為他出生年代的時勢際會,而造就出來的英雄豪傑。費曼的行事作風在處理以下的主題時最見成效,就是鞏固改革成果,並且拿這成果當作起點,從事更深遠的探索。

  戰後不久,物理學的基礎已經相當穩定,理論結構也漸臻成熟,唯獨的負面形勢,就是袖手旁觀、跟著起鬨的人多,真正動手動腦、從事開創的人少。費曼自甫出校門,即邁入一個充滿許多抽象概念的奇境,然後他把個人獨創品牌的思想,深植於許多世人的心中。這本書給了我們一個難得的機會,得以一窺這位偉大人物的內心世界。

戴維思(Paul Davies)
澳洲阿得雷德大學(University of Adelaide)理論物理教授,著名科普作家,著有《最後三分鐘》等二十餘本書。




其 他 著 作
1. 成交量與未平倉量:大利往:你必需抓著改變的手 否則改變將掐住你的喉嚨
2. 你管別人怎麼想:科學奇才費曼博士
3. 別鬧了,費曼先生:科學頑童的故事
4. 費曼物理學講義 I:力學、輻射與熱(共6冊,平裝版)
5. 費曼物理學講義 II:電磁與物質(共5冊,平裝版)
6. 費曼物理學講義 III:量子力學(共3冊,平裝版)
7. 科學頑童費曼語錄:你管別人怎麼想?最愛鬧事物理學家費曼的二十六堂人生智慧課
8. 妳,為什麼不允許自己成功?:華爾街教會我,別當自己的絆腳石就對了
9. 費曼物理學講義 I:力學、輻射與熱(共6冊,平裝隨行版)
10. 費曼物理學講義II:電磁與物質(共5冊)
11. 費曼物理學講義 I:力學、輻射與熱(共6冊)
12. 費曼物理學訣竅【增訂版】 (軟精):費曼物理學講義解題附錄
13. 費曼物理學講義III:量子力學(共3冊)
14. 藍瓶子咖啡
15. 跨步前行:華爾街財經名嘴 凱倫•費曼親身示範的女性成功祕訣
16. 一出社會就該懂的職場微社交:從茶水間閒聊到小點心請客的應對指南 Reply All...And Other Ways to Tank Your Career
17. 費曼物理學訣竅:費曼物理學講義解題附錄(增訂版) Feynman’s Tips on Physics:A Problem-Solving Supplement to The Feynman Lectures on Physics
18. 費曼的6堂Easy相對論(改版)
19. 費曼的六堂Easy課套書(共2冊)
20. 費曼物理學講義I 套書(共6冊):力學、輻射與熱 The Feynman Lectures on Physics, The Definitive Edition Volume 1
21. 費曼物理學講義III(共3冊)
22. 費曼物理學講義 I:力學、輻射與熱(5)熱與統計力學 The Feynman Lectures on Physics, The Definitive Edition Volume 1
23. 費曼物理學講義 I:力學、輻射與熱(6)波 The Feynman Lectures on Physics, The Definitive Edition Volume 1
24. 費曼物理學講義I ~ III(共14冊) The Feynman Lectures on Physics, The Definitive Edition Volume 1~III
25. 別鬧了,費曼先生:科學頑童的故事(20萬冊紀念硬殼精裝版)
26. 費曼物理學講義 I 力學、輻射與熱(4)光學與輻射 The Feynman Lectures on Physics, The Definitive Edition Volume 1
27. 費曼物理學講義II(共5冊)
28. 費曼物理學講義III(1)量子行為
29. 費曼手札-不休止的鼓聲
30. 物理之美
31. 這個不科學的年代
32. 費曼的主張
33. 你管別人怎麼想:科學奇才費曼博士
34. 費曼手札:不休止的鼓聲
35. 別鬧了,費曼先生:科學頑童的故事
36. 這個不科學的年代
37. 費曼的主張
38. 費曼的6堂Easy物理課
39. 費曼的六堂Easy物理課
40. 費曼的六堂Easy相對論
41. 物理之美:費曼與你談物理
42. 咆哮的獅子
43. 理性邊緣的物理-量子的物理世界