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利维坦 01-22

整个宇宙,都在一杯酒里

wiki

利维坦按:

若非行业相关,想必大多数人都跟我一样,在走出学校之后与 " 物理学 " 一词不再有交集。但世界的现状与运行都与物理息息相关,物理学本身也具备无法取代的美感。而在众多物理学大拿里,费曼的画风总是如此清奇。

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谷歌的拉里 · 佩奇、微软的比尔 · 盖茨、特斯拉的马斯克等人都有个共同的偶像,物理学家理查德 · 费曼( Richard Phillips Feynman)。他所著的《费曼物理学讲义》更是被奉为进入物理世界的绝佳敲门砖。

最近看了几期《张朝阳的物理课》,搜狐创始人张朝阳亲自下场直播,讲解了诸如 " 天空为什么是蓝色 "、" 如何计算太阳表面温度 " 等物理知识,方才知道张总还是麻省理工的物理博士,现在开直播课教起物理,授课语言平实易懂,风格深入浅出,老哥可以。而在课上,张总同样反复提及费曼,并不止一次地以费曼的方法解决物理问题,希望 " 用非常简单的方法,让你一目了然 "。

角度不同,事物往往也会有不同的解决方法。对于同一个问题,不同的人也会有各自正确的解法,尽管最后 " 殊途同归 "。但为何张总上物理课时如此推崇费曼?一个物理学家又是如何成为众多名人共同偶像的?

这事确有说头。

* * *

有个诗人说:整个宇宙都在一杯酒里。我们很难知道他是在何种意义上如此比喻。因为诗人不喜欢被解读。但事实是,如果我们足够细致地观察一杯酒,我们就能看到整个宇宙。

——费曼

上世纪 40 年代的某一天,当时还在麻省理工学院念书的费曼和他的兄弟会同学们正在争论一个十分严肃的问题:人类的排尿行为,是否是地心引力作用的结果?

费曼是当时在场的、唯一一个认为并非如此的人。最后为了证明自己的观点,他二话不说脱下裤子,双手撑地倒立着撒起尿来。

这是费曼在他的传记《别闹了,费曼先生》中所记载的一桩小事。费曼在这本书里回忆了很多莫名其妙的往事——比如为了粉碎 " 同时摄入阿司匹林与可乐会导致昏迷 " 的谣言,接连喝下了三瓶可乐与六颗阿司匹林(危险行为,切勿模仿)。

面子也好,命也罢,在费曼心里似乎都远不及真理来得更有价值。你也许听闻过一些天才学者的奇闻逸事,但费曼很有可能是当中最能折腾的。

《生活大爆炸》剧照。谢耳朵正在潘妮介绍费曼。据说谢耳朵便是以费曼作为原型创作的人物,而人设上,费曼也是谢耳朵最喜欢的物理学家。

有那味了。

闲暇学画画,画到直接开个展;度蜜月,兴起研究玛雅文字,达到了能鉴定真伪古抄本的水平;在巴西休假的时候,费曼又玩起了邦戈鼓,甚至凭借着 " 像极了职业乐手 " 的鼓技混进了舞团中;为了研究意识幻觉,他三番两次躺进感官剥夺试验箱里,在其中甚至有过 " 灵魂出窍 " 的体验。

但就是这样一个人生玩家,却被视作继爱因斯坦和玻尔之后影响最为深远的理论物理学家,其对于量子场论的贡献已然成为后世研究的基础。

玩物未必丧志,生命在于折腾。

从新的视角认识一件旧事物是令人高兴的事情。

——也是费曼

30 年代自普林斯顿大学毕业之后,费曼应召加入了机密的曼哈顿计划,在新墨西哥州的秘密实验室里,为比德国人更早地造出原子弹而争分夺秒。而在同样密切参与曼哈顿计划的科学家里,费曼似乎也是一众正经人里最 " 孙子 " 与不务正业的那个。

费曼(左二)与奥本海默(左三)在在洛斯阿拉莫斯国家实验室。 wiki

那段时间,忙着造弹的费曼发展出了另一项兴趣——开锁。原子弹技术是当时世界上最为机密的事情,但与这之有关的文件却被存放在再普通不过的文件柜中,其中包括但不限于生产钚的流程、提炼程序、需要多少材料、中子如何产生、原子弹的设计以及工作原理……

费曼来劲了,他以多次解锁文件柜的方式提醒着团队注意机密文件的安全。一开始,他只是当面向同僚们示范如何在不开锁的情况下,就从档案柜的背面取出文件;后来基地终于购置了带密码锁的保险柜,他又自学多项开锁技巧,苦苦钻研,潜心治学,一次又一次地打开各种难度的密码锁,对除他以外的基地全体成员造成了极大的精神污染。

整个新墨西哥州的笋,怕是都被费曼夺完了。

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有一次,费曼一口气打开了三个装有重要文件的保险柜,并在里面分别留了三张纸条 " 借去了编号 LA4312 的文件,撬锁专家费曼留 "、" 这个柜子也不难开呀,聪明鬼留 "、" 密码全都一样,每个柜子都不难开,同一人留 "。

可怜的同僚狄霍夫曼发现这件事的时候,最先看到的却是最后一张纸条,据说当时被吓得 " 浑身颤抖、面无血色 ",直到费曼暗中引导他 " 检查 " 其他两个柜子,看到第一张后才发现这只是费曼的恶作剧。

不过狄霍夫曼并没有生气,反而转身追上打算悄悄遁走的费曼紧紧抱住他——毕竟如果不是费曼的恶作剧,这些文件仍将在几乎毫无安全性可言的保险柜中等待被窃取。

我生于无知,而且只有很少的时间来改变各种无知的状况。

——还是费曼

因其对量子电动力学的贡献,费曼曾在 1965 年与另外两名物理学家共同获得过当年的诺贝尔物理学奖。但是就领奖这件事情,费曼也曾表达过强烈的不满。

这种不满从一开始得知自己获奖就开始了。组委会的人在凌晨四点打电话给费曼:" 费曼教授吗?我想你会很高兴知道你得了诺贝尔奖。"

" 是,但我在睡觉!"

挂断。电话又响了起来:" 费曼教授,你有没有听说 ......"

" 有…… "

如果不是《时代周刊》的记者规劝他 "拒绝领奖,会比乖乖去领奖带来更多的麻烦",费曼似乎真的会拒绝这一学界最高荣誉。就像是他的领奖致辞所说:"对我而言,就科学研究的发现中所得到的乐趣, 以及别人可以利用我的研究成果来说,我已经得到了我的奖赏。"

费曼在诺贝尔颁奖晚宴。 lifeboat

但是在去领奖之前,费曼又犯难了。当时他听说颁完奖后,领奖的人需要面对着台上的瑞典国王一步步向后退回自己的位子去。而他的想法则是 " 看我怎么修理他们 "。于是,费曼开始练习向后蛙跳以及青蛙的叫声,希望在颁奖典礼上跳着叫着回到自己的位子去,好好 " 表现一番 "。

可惜最后费曼没有如愿——工作人员告诉他,他完全可以转身走回自己的位子去。言下之意恐怕是:教授你放过我们吧。

* * *

首要原则是你不能欺骗自己,因为你自己是最容易被欺骗的人。

——没错,依旧是费曼

上世纪 60 年代早期,费曼受命对加州理工学院的物理课进行改良。当时的教委组认为原有教学大纲没有包含一些新的科研结果,且在极大程度上束缚了学生,因此决定重新设计本科生的第一门物理课程,以激发学生们对物理的兴趣。

费曼欣然接下了这项任务,一干就是三年。三年之后,他关于物理学的即兴授课内容也被录了下来,后来又被归编成册出版,也就是《费曼物理学讲义》

中年费曼上课实况。 ggi

《讲义》虽然没有被采纳为正统的教科书,但却因其浅显易懂的语言与生动的描述而成了经典的物理科普读物。《自然》(Nature)杂志在 2013 年的一篇评论中,形容这本书 " 简洁、美丽、统一……充满热情和洞察力 ";《科学美国人》的一名评论家则称其 " 非常营养,风味绝佳,25 年来仅见,是教师与优秀学生的指南。"

费曼不喜欢死记硬背等强调形式而非内核的教学方式,他认为清晰的思维与同样清晰的表述是其教学工作的必备素养。他批评加州教委的数学教材所用的特殊符号 " 过于特殊 ",以至于在其他地方完全看不到:

" 我认为没有必要也没有理由在学校里教这些玩意,这不是表述的有效方式,也不是具备说服力的做法。它声称自己是精确的,但精确的目的又是什么?"

尽管学术界通常认为,费曼对科学最有价值的贡献可能在量子电动力学领域,但《讲义》却是他最被广泛阅读的作品。正如他对《讲义》的期望," 是为了让那些刚从高中进入加州理工学院的、热情且聪明的学生保持兴趣 "。

关于《讲义》还有一件有意思的传闻。据说费曼一开始想要一张鼓面撒细粉的图片作为书的封面,上面画一些数学图形,以此表现振动的概念。但是出版商认为这样的图片容易让人联想到摇滚乐乃至毒品,于是最终把封面改成了纯纯的大红色——不过前言部分依然有一张费曼打鼓的照片——出版社大概是认为这位教授只是想要书里出现自己打鼓的照片而已。

《讲义》原版的前言部分。 Docsity

* * *

就我而言,因为养育于一种法国方式,对于正规化总有盲目尊重,游戏的改变者就是费曼的《物理学讲义》;我们这一代,他那套书中的信息,它的批判性,它的爆发力量,都给人一种朝圣之旅的经历。

——不是费曼,是法国物理学家皮埃尔 - 吉勒 · 德热纳(Pierre-Gilles de Gennes)

某种程度来说,《讲义》是费曼脑回路异于常人的最好证明。他在其中所传授的许多思想与解题方式,在其他教科书中都难以得见。这里稍举一例。

当我们向外水平扔出一颗石头——如果用的力气比较小,石头的速度就比较慢,落地点也会离我们近一些;但如果力气大,速度就会快,落地点也会更远——那如果我们用的力气足够大,速度足够快(且不考虑空气阻力的话),石头就不再落地,而是环绕地球一圈圈打转,成了一颗近地卫星。

而这样一个能让物体不落地的速度,便是中学物理课上提到的第一宇宙速度。

giphy

也许你还记得(就当你真的记得吧),中学物理课本上计算第一宇宙速度的方式,是取 "重力 = 向心力" 的等式来进行的,即:

mg=mv^2/R

等式左边代表的是重力,右边是物体进行圆周运动的向心力,当这两个力保持平衡,物体便会围着地球公转。我们可以进而推导得出:

v= √ gR

的确是个很简洁的公式,却要求计算者对于力的作用有所了解,门槛虽低却存在。

但是费曼在他的《讲义》中提出过一个完全不同的计算方法,且这个方法完全基于几何特性进行,无需考虑重力与向心力的平衡。

费曼认为,我们并不是须要把环绕地球运动的物体视作 " 不会往下掉落 "——他们同样会往下落,但由于地球是圆的,所以只要他们能够按照地球表面的弧度往下落,看起来就会像是 " 永远在下落,却也永远不着地 "。

于是,我们可以对这个永远不下落的物体进行两个方向的运动分解:水平方向,它移动了 vt 的距离;垂直方向,则移动了 1/2g(t^2)

那接下来该怎么寻找这两个运动与地球之间的关系呢?费曼所用的是圆形几何里的相交弦定理,即:经过圆内一点引两条弦,各弦被这点所分成的两线段的积相等。在这里,便是AO*BO=CO*DO

其中:

AO=BO=vt;

CO=1/2g(t^2);

由于这一运动在地球表面进行,

因此 DO 近似于 2R(R 为地球半径)。

于是就有了公式:

(vt)^2=1/2g(t^2)2R

中学物理里的求解方式虽然更能表现运动中力的平衡,但是费曼的方法,却能让一个对力的知识未必了解的人得出同样的结果。

再举个例子。物理中若要计算一个运动的点电荷所产生的电磁场,大多数教科书都会直接用上麦克斯韦方程组来求解——数学上完全称不上简单的一个计算过程。

但是费曼却从电荷之于其所产生的场公式着手,简化了两项不太重要、却会增大计算量的干扰项,从而得出一个简洁而行之有效的计算方法,其结果与通过麦克斯韦方程组所得到的相同,却避免了复杂的数学运算(张朝阳在课上就使用了费曼的这种推导方法)。

在《讲义》中,我们能够经常看到费曼用平实易懂的语言解释让人心慌的物理概念,用极其基础的知识来解决复杂的物理问题。有人曾对他说:"你这两年为物理学所做的事情,比你用同样的时间做任何其他研究都要重要得多。"

起初费曼认为这是瞎扯,但是多年之后也同意了这一观点,以至于后来连自己都认为自己对物理学最大的贡献不是量子电动力学、超流理论等,而是《讲义》。

* * *

1988 年 2 月 15 日,费曼因罕见的脂肪肉瘤在加州离世,距离他人生中的最后一堂授课仅仅两周。学生们在加州理工学院 11 层高的图书馆大楼上高悬出一条横幅:"We Love You,Dick."

caltech archives

费曼在加州理工的任职生涯长达 38 年。在他人生的最后一份板书上,费曼给学生们写下了这样两句话:

What I cannot create I do not understand.

Know how to solve every problem that has been solved.

我无法创造的,即为我无法理解的,

每一个已被解决的问题,都应知晓如何解决。

平实的语言,却是费曼一生的真知灼见。为什么张朝阳推崇费曼?这个答案其实很简单。

* * *

作为费曼在麻省理工的学弟,张朝阳在远离实验室二十多年后重拾旧好,做起物理知识科普。一方面可能是出于同门后辈的情感连接,另一方面大概也是有感于费曼作为世界顶尖物理学家对于学问自始至终的热忱。

而就算撇开情感层面不谈,费曼对许多物理问题的解决方法也是十分清奇。这一点在他的《费曼物理学讲义》里十分明确。

费曼的物理学生涯,起点是对世界纯粹的好奇心,过程中则充满着自身对于各种问题的独立思考,其中不乏奇思妙想、清新易懂的解题思路。《讲义》所代表的费曼研学态度,不再是照本宣科的学院式研究方式。不再 " 为学而学 ",可能是费曼留给后世物理学爱好者最重要的启示。

物理学是关于 "这个世界何以如此?" 的学问。只要你曾(或正在)审视生活,观察世界,这个问题便必然存在。"在好奇心驱使下,了解自然界的奥秘,了解我们在这个世界生存的道理" ,这是张朝阳开课的出发点。

《张朝阳的物理课》有个显明的逻辑:通过观察日常生活现象,用人们最熟悉的话题来激发受众对物理学的兴趣,再以浅显易懂的语言与物理学知识解释其背后的原理,进而回来解决生活中的相关问题。

因此在他的课上,张朝阳经常采用《讲义》内容,鼓励费曼的学习方法,这既保持了直播课的专业度和规范化,也增强了课程的生动性。在后续课程中,他还将继续以这种直播风格解释生活中常见的物理现象,让普通人能够听懂、专业人士也能认可,激发科学学习的热潮。

张朝阳物理课

每周五、周日中午 12 点

搜狐视频,准点开播

除《张朝阳的物理课》外,搜狐视频也邀请多位通识教育播主,科普知识,传递价值。北京交通大学理学院教师陈征博士玩起了 " 奇趣的科学实验 ",走进 " 光的波粒二象性 ";康奈尔大学物理化学博士包坤,化身 " 包大人玩科学 ",教普通人看懂 2021 年诺贝尔奖;还有天体物理博士刘博洋科普 " 日全食是怎么产生的 ";近期走红的理论物理博士后周思益,也来搜狐视频开通 " 弦论世界 " 直播课。

未来,还将有更多知识播主入驻搜狐视频,一起玩转科学。

文 /noow

校对 / 兔子的凌波微步

本文基于创作共享协议(BY-NC),由 noow 在利维坦发布

文章仅为作者观点,未必代表利维坦立场

即可收看《张朝阳的物理课》

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