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《费曼讲物理》以妙趣横生之语，深度剖析物理世界的隐秘法则
铛铛铃2025-09-13【科普】711人已围观
简介
今天为你解读的这本书是《费曼讲物理入门》。
作者理查德·费曼是一位物理学家，他出生在纽约，是一位犹太裔美国人。费曼被认为是爱因斯坦之后最睿智的理论物理学家，他在20世纪40年代发展了量子电动力学新的理论形式和计算方法。由于这一贡献，费曼获得了诺贝尔物理学奖。他曾加入曼哈顿计划，参与制造原子弹，还参与调查挑战者号航天飞机失事事件，揭开事故真相。
费曼可不是一个书呆子，他性格开朗外向，业余爱好有打邦戈鼓、画素描、开同事的保险柜、逛脱衣舞俱乐部。费曼的葡萄牙语水平足以支持他在巴西科学院讲课，算得上是20世纪物理学家中的奇人。这些奇闻异事让他获得了很高的公众知名度。
在费曼本人心目中，排在他学术著作第一位的，不是量子电动力学这一类反映他理论研究上重大贡献的著作，而是一部教材——《费曼物理学讲义》。这本书是他在加州理工给12年级大学生上课的讲义，虽说是本科生课程，还是有些难度呢，从后来课堂上本科生越来越少，研究生和老师越来越多就可以看出来。
今天我们解读的《费曼讲物理入门》这本书，是从讲义的第一卷抽取了六个章节的原文，算是讲义的一个导读。这些章节全是根据当时的录音整理而成，就算不是原话，也保留了费曼的讲授风格，很值得推荐。即便你不能秒懂其中的内容，也可以近距离地接触物理大师，了解一下费曼的工作中最贴近大众的一部分。
讲义的第一章叫“运动者的原辅”，这一章的引言用不大的篇幅讲了一件事情，就是物理和数学不一样。数学是先给出一套公理或者规则，然后在规则允许的范围内演绎出结果。但是物理不能这么干，物理是对客观的、大自然的观察。到了现代物理，这种观察已经深入到只能借助那些昂贵的设备了，但是究其本质还是观察。根据观察或者实验，我们得出一些定律，这些定律既不完备也不精确，按照哲学家的意思就是不对的。那你能怎么办？只能先学习着，日后再放弃它，转向那些近似程度更高一些的定律。对大学生来说，前者例如牛顿运动定律，后者例如相对论。我们先选哪个？费曼说，先学比较粗糙那个。
在这些比较粗糙的定律中，费曼认为万物由原子构成这一说法特别有价值。说它粗糙，是因为原子其实也并非组成万物的基本单元；至于说特别有价值，在于到了原子这一层次，千姿百态的自然现象背后都是原子做着简单的动作。水之所以为水，蒸汽之所以为蒸汽，无非是同样的原子之间的距离不同、运动的剧烈程度不同而已，水比蒸汽受到了更多的束缚而已。更复杂一点，现在考虑不光有水，还有盐，它们混在一起的时候，我们说出现了溶解和结晶的现象，看上去跟蒸发不同，但是你要从原子的角度看，还是钠离子、氯离子这些东西跟水分子之间的距离和束缚程度的变化而已。这里费曼并没有区分原子、分子还有离子，这些同在原子尺寸的东西都暂时称为原子。
来，再复杂一点，碳原子和氧原子机缘巧合碰上了，于是紧紧地束缚在一起，这中间发生了什么？看上去发出了光和热，我们称为燃烧，这是化学课上的内容。但这真的是一种不同的过程吗？蒸汽凝结的时候会发出大量的热，其实同时也会发出光，只不过它处在红外波段，我们眼睛看不到而已。正是因为我们感官的限制，才人为地分出了化学反应和物理反应，这在费曼看起来就是一回事儿。
再复杂下去，从紫罗兰的香味、天空中的云雨，到我们每一个人，可以用有机化学、气象学、生物学来描述，但是不管怎么样，所有这些你一定也可以用原子的运动来谈论。前面说了，原子的观点毕竟是粗糙的，解决不了太多的问题。迄今为止，物理学就是希望把乍看起来很不相同的事情用最简单的规律描述出来，来减少不同事物的种类。大自然像是在下一盘很大的棋，棋的规则是简单的，就那么几条。嗯，如果你不知道规则，一开始看得莫名其妙，但是多看一会儿，终究能看出几条相对明显的规则，然后可能看出更多的规则，直到最后看明白所有的规则。
按照这种思路，我们梳理一下物理学发展的路径，说说物理学是做什么的。费曼以1920年为界限，把物理学的发展大致分成两个阶段。1920年以前，人类认识了92种不同的原子，它们在欧几里德的三维空间和均匀流逝的时间里相互作用，这些作用力无非是引力和电磁力。电磁力很强，如果两粒沙子相距30米，沙子里含有的电荷可以产生百万吨的力，这两粒沙子相互之间的万有引力则非常小。那个时候已经知道，电荷摇动起来，本来静止的力，它的影响范围突然就扩展开去，可以传达到遥远的地方，而且这种传达脱离了电荷本身，是一种独立的存在，它的名字叫电磁波。
到了1920年前后，物理学发生了颠覆性的变化，相对论和量子论先后出现，改变了人们的世界图景。首先，时间和空间不再相互独立，紧接着引力搅和进来，成为时空的一个部分，这是大尺度的世界里的发现。在微观的世界里又发现，微小粒子的行为方式和我们已知的任何事物都不同。如果你只了解万有引力，而不太了解电磁理论，那你不会觉得电子围绕原子核做圆周运动这个说法有什么毛病，因为太像行星运动。但是麦克斯韦方程告诉我们，电子这么高速的旋转，会在瞬间把能量以电磁波的方式辐射出去，电子会坠落在原子核上。所以要么麦克斯韦方程不对，要么就得假定一件事，一个粒子不可能同时具有确定的位置和确定的动量，这个被称为测不准原理。尽管测不准原理有违常理，但确实完美地解决了原子结构的稳定性、基态能量不为零这些问题，而且很重要的，与经典电磁理论并无冲突。当把它们结合起来考虑时，就是量子电动力学。用费曼的话说，原子核以外的事情我们都知道了，目前都符合量子电动力学，还没有例外。
而原子核内，哎呀，原子核内有点麻烦。我们希望用核外的已知理论去猜测，既然电荷之间可以用一种叫做光子的粒子相联系，那我们就可以找一找中子和质子之间的这个联络者。有意识去这么一找啊，结果在宇宙射线里发现了大量新的粒子，大约有30种。大自然要这些互不关联的粒子做什么？我们希望这些粒子是同一事物的不同表现，但是现有的理解程度还相当的粗糙，只能是给它起个名字，最多分分类而已。这些粒子之间的相互作用倒是没那么复杂，一共也就四种，依照强弱排下去，最强的是强相互作用，也就是我们通常说的核力，物理学家基本上没搞懂，但是知道强度是电力的137倍，电力排在第二位。如果你平时理解电力是电荷和电荷之间的作用，那么在粒子物理学，你可以试着想那其实是电荷和光子之间的作用，然后由光子作用于另一个电荷，这方面确实什么都知道了。排在第三的是弱相互作用，比电力又小了1000倍，这种作用使中子蜕变为质子、电子和中微子，我们只知道部分有关的定律。最弱的是引力，强度一下又降了30多个数量级，现代物理对它已经很熟悉了。
所以费曼总结，基础物理学是说核以外什么都知道了，除了宇宙是怎么来的，因为你没法做实验。核以内，我们只知道量子力学还没有失效，但是也没有理清楚那些粒子和粒子之间的关系，甚至并不知道离搞清楚那一天还有多远。一般我们谈到物理学，很大程度指的就是上面这些研究，简单的说就是琢磨两件事，物质的终极构成和物质间的关系，也就是力。费曼称其为基础物理学。
这些研究在发展中和其他的学科经常在某些领域有重叠，很难说有一个清晰的分界。所以费曼对化学、生物学、天文学、地质学和心理学这些学科跟物理学有关的地方，做了一个点到为止的论述。化学跟物理的关系尤其近，早期的化学几乎就是应用版的原子理论，很大程度上就是由化学实验证实的，而后那些理论化学基础就是量子力学的原理。分界在哪里？大概说来一个化学反应能不能发生，这是物理学的事儿，属于下棋的规则，而这个反应往哪个方向发生，快慢会有什么新的物质产生，这是化学的事，相当于起手策略层面的事。不过越来越多的物理学家后来乐于插手这个层面，这一趋势也蔓延到了生物学领域，生物学相当于更高级的棋手策略。当人们从物理的角度去看，有机体神经传导其实就是离子迁移的一种接力形式，肌肉收缩实际是复杂分子组成部件的分分合合，也不过是化学反应，归根到底是物理过程，但是这里的策略更为高级。
物理学的另外一个近亲是天文学，早期天文的观测直接导致了经典物理学，而现代物理学反过来又可以分析恒星的成分以及演化。诗人们把这些恒星想象成或英俊或邪魅的人物，而费曼说，恒星是一些火炉，熄灭了、冷却了的炉灰中产生了我们的星球和我们自己。话题于是转到了地质学，跟天文学一比，其实我们对地球的了解还不如太阳来的多，我们对火山和地震的了解还很幼稚，地球内部有环流，但是没有人能计算环流，说起来这也都是经典力学的问题，并不高深。呃，另外一个解决不掉的大气的湍流，也是经典力学的问题，同样出人意料的是，竟然也算不出来。所以面对气象学，费曼显然也无话可说，转而大谈心理学。大脑是怎么学习的，当学会一件事后，脑细胞发生了什么变化，可惜这些事情我们完全不懂，仅仅感觉和计算机有相似之处，至于从这个方向真正了解人类行为，还太遥远。
在所有这些学科中，物理学有一个卓尔不群的特征，不问历史。连比较基础的化学，也总是要关心一下反应进行的方向，而到目前为止，我们从来不认为物理学发现的定律会随着时间而变化。费曼倒是觉得没有必要一直这么孤傲，跟其他的学科保持这么森严的壁垒，种种学科分类的产生，不过是因为我们心智不足而寻找的一种便利，大自然并没有像我们这么做。一杯容纳了热力学、有机化学、生物学和光学的葡萄酒，大自然应该有他自己最简单的安排吧，目的是让我们开心就好，别想的那么复杂。
在物理学家探寻规律的过程中，还发现了许多有价值的具体知识，有的概念和论题成为了物理学的核心内容。《费曼讲物理入门》这本书选取了三个有代表意义的论题，能量、引力和量子行为，每一个论题的论述角度都非常奇特，非物理专业的读者不会觉得很难接受，而专业的读者还能有惊奇的发现。费曼是怎么做到的呢？我们先听听他为能量打的一个比方。
一说起能量，你可能会想到这跟运动、跟活力有关，如果受过理工科专业训练的话，还能计算它。很少有人声称说我不知道能量是什么，但是费曼说，在今天的物理学中，我们并不知道能量究竟是什么。以一个调皮的小男孩丹尼斯为例，他会把手头的28块积木玩的到处都是，窗子外面、小箱子里、鱼缸里面等等。丹尼斯的妈妈为了清点这些积木，得四处寻找，得称一称打不开的箱子，量一量浴缸里的水位，这样积木的数量有时候就以重量、高度这些完全不一样的面目出现。我们很容易就找到了联系，这些不同面目的数量关系，就像不同形态的能量之间的数量关系一样。不过，除了通过实验得出来的这个数量关系，你无论如何也说不出动能和势能之间哪怕是一丁点儿的其他关系，因为动能是用速度和质量定义的，它背后也没有类似于积木这样隐藏的实体，那势能也是一样。我们在能量这件事情上，只能知其然而不知其所以然。
不过呢，仅仅是回答数量关系这样肤浅的问题，也产生了许多精妙的论证，其中之一是在一切同样功能的机械中，可逆机的效率最高。追溯可逆机这个概念的时代背景，我们好像还能闻到浓厚的煤烟子味儿。工业革命的时代，产生了各种提供动力的机械，这些机械当中，人们发现加热气体可以推动活塞对外做功，反过来活塞推动气体可以让气体升温。在这些方向相反的过程中，有一些反向运转能够消除正向运转的影响，这样的机械我们管它叫可逆机，那不能消除影响的就是不可逆机了。费曼的论证思路是，把两台机器对接，一台是可逆机，一台是不可逆机，先让不可逆机正向运转，再让可逆机反向运转，要证明可逆机的效率最高，使用反证法，假定不可逆机的效率大于可逆机，结果对接的机器合起来就是个永动机，而永动机不可能存在。这个原理可以打个比方，小白用一个硬币能买两杯咖啡，小黑只能买一杯，反过来，小黑能用一杯咖啡换一个硬币，而小白却不能用咖啡换硬币，这就是说小白是一个不可逆机。好，先让小白花一枚硬币买两杯咖啡，让小黑拿走其中一杯，去跟外面换回一枚硬币，小白再用这枚硬币再去买两杯咖啡，这样循环下去，硬币还是那个硬币，咖啡却源源不断增加了，就像永动机不消耗能量就能运作下去。于是我们知道毛病出在小白的一个硬币比小黑的更值钱。你看通过这个反证法，就证明了可逆机的效率最高。这个结论一般人看起来有些无聊，但是要知道，工业革命的时代，人类恍然间以为自己从此要走向可以呼风唤雨的境界，物理学家的论证至少让发明家和工程师看到，站在大自然面前还是本分一点的好。
关于能量，还有一个很玄的性质，就是在量子力学中，时间的对称性导致能量守恒。说成大白话就是，如果一个物理过程按照时间顺序反向进行，完全用不着改动物理定律，那么就等于说能量守恒。这风马牛不相及的两件事我们都知道，不过扯到一起就太匪夷所思了。当然这也是一个可以确信，但是不知道为什么的事情。如果对这一点有困惑，不必惭愧，因为详细的描述是《费曼物理学讲义》第三册的事情，加州理工的那些学霸们，很多还没有学到那儿就放弃了。
引力则是一个相对简单易懂的题目，它数学形式的极度简单，令费曼感到惊叹。但是和能量一样，引力背后的机制还没有一个靠得住的说法。我们回顾一下引力的发现，天文学发现满天星斗都在做一些近似于圆周的运动，解释五花八门，但是没有引力这个概念，因为没有牛顿的三大定律，曲线运动中没有力的角色，大家并没有感到什么不妥。后来伽利略发现，没有干扰的话，物体恐怕要沿直线一直匀速运动下去，牛顿就把这种干扰明确化了，它就是力。行星轨迹偏离直线，说明有一种力，开普勒定律说嘛，以太阳为中心，行星在相同的时间里扫过相同的面积，这个让牛顿确信是行星偏离直线运动的力精确的指向太阳，并不是传说中的天使拖着行星跑的那个方向。到此为止，力的方向已经把两件实体连接起来了，这样一个力推而广之，就是说任何两个可以直线相连的物体之间都有这样一种力。牛顿告诉人们，这种力天生没有为什么，引力。
当然，引力也有引起人们疑问的一些性质，一是为什么引力的强度是如此之小，跟宇宙的年龄有关吗？二是引力和质量有什么关系？另外一个问题是，牛顿的引力被相对论修正之后，有没有可能还要修正到与量子力学兼容呢？这些都是宇宙中最基本的问题，到现在没有人知道答案。
我们现在把引力放在一边，看看费曼是怎么讲述量子行为的，也就是微观粒子行为。量子的行为既不像波，也不像粒子，物理学家实际干脆放弃了把它与别的东西相比拟的做法，只能再一次承认，只能回答怎样的问题，而不能回答为什么的问题。费曼对于量子行为的解释是公认的经典，他只用了很少的几个概念，就把人带到了量子之谜的核心。他设计了一个双缝干涉的思想实验，实验装置包括一个粒子源、一个有平行双缝的挡板和离挡板一段距离的接收屏。当类似于子弹这样的粒子通过双缝，会在接收屏上形成一个中央密集、两边稀疏的、平滑的概率分布，如果是机械波，比如水波，通过这样的双缝情况就会不同，在接收屏上会形成条纹式的强弱相间的分布，我们知道这是干涉行为。当我们换上电子来做这个实验的时候，也出现了干涉条纹。费曼想观察一下电子到底是怎么穿过这两条缝的，奇怪的是，当他观察清楚电子的运动路径时，干涉条纹就消失了，不去观察电子的路径，干涉条纹就又出现了。这就说明观察这个行为的本身影响到了电子的路径，只因为多看了一眼，电子就跑偏了。这个思想实验的最后结论是，量子行为有着天生的不确定性，量子的位置和动量不可能同时确定，定量的分析说，它们的不确定性相乘，大概在一个普朗克常数的量级不能再小了，当然这已经很小了，达到了十的-34次方，否认这个不确定性，量子力学就会垮台。还好量子力学以其充满风险但是精确的方式存在着。费曼说道，后来真的有人用现实中的设备做了这个双缝干涉实验，从1974年米兰大学的梅里教授，一直到2012年内布拉斯加大学的团队，一次又一次用更直接的方式再现了费曼的想法，让我们看到，费曼1962年在课堂上的叙述准确无误。
我们无法穿越到上个世纪60年代，去费曼的课堂上感受他那特有的大张声势和不落俗套的幽默，幸运的是，那些无价的演讲用书本的形式流传到现在。50多年过去了，《费曼物理学讲义》一点都没有失去它的光彩和明晰，我们依然可以从中感受到充满智慧的火花和深刻的洞察力，了解到物理学家看待这个世界的方式。费曼说，学会鉴赏这奇妙的世界，是现代文化真正重要的一部分，当世界变得更复杂时，它也就变得更加有趣了。
好，《费曼讲物理入门》这本书就为你解读到这里，听书笔记在音频下方，我们明天见。
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