科普 | 《费曼讲物理》：近距离感受物理大师的风采

献给啃不动费曼《物理学讲义》的你，近距离感受物理大师的风采。

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听书笔记 

作者理查德 ∙ 费曼是一位物理学家，一位犹太裔美国人。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。

《费曼讲物理》这本书，是从讲义的第一册里抽取了6个章节的原文，算是讲义的一个导读。

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。物理是对客观的大自然的观察，根据观察或者实验，得出一些定律，这些定律既不完备也不精确，只能是先学习着，日后再放弃它，转向那些近似程度更高一些的定律。

在比较粗糙的定律中，费曼认为万物由原子构成这一说法特别有价值。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。

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。

费曼以1920年为界线，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。

到了1920年前后，物理学发生了颠覆性的变化，相对论和量子论的先后出现，改变了人们的世界图景。  

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。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，而且很重要的是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。

我们希望用核外的已知理论去猜测原子核内。既然电荷之间可以用一种叫做光子的粒子相联系，那就可以找一找中子和质子之间的联络者。结果在宇宙射线里，发现了大量的新的粒子，大约有30种。

这些粒子之间的相互作用一共有四种，依照强弱排下去，最强的是强相互作用；第二位是电力；第三位是弱相互作用；最弱的是引力。

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，几乎就是应用版的物理。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。一个化学反应能不能发生，这是物理学的事儿。而这个反应往哪个方向发生，快慢，会有什么新的物质产生，这是化学的事儿。

这一趋势也蔓延到了生物学领域，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。  

物理学的另一个近亲是天文学，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。  

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》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。   

费曼说，在今天的物理学中，我们并不知道能量究竟是什么。除了通过实验得出数量关系，无论如何也说不出动能和势能之间的关系。我们在能量这件事情上，只能知其然而不知其所以然。  

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。加热气体可以推动活塞，对外作功，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，这样的机械叫可逆机，不可消除影响的就是不可逆机。

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。就证明了可逆机的效率最高。

引力的数学形式极度简单，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。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，引力是天生的，没有为什么。  

引力也有一些引起人们疑问的性质，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，到现在也没有人知道答案。

量子行为也就是微观粒子的行为。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，并且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。 

费曼只用很少的几个概念，就把人们带到量子之谜的核心。他设计了一个双缝干涉的思想实验。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概率分布，这是干涉行为。

当换上电子来做这个实验的时候，也出现了干涉条纹。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”这个行为本身，影响到了电子的路径。  

这个思想实验最后的结论是，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。定量的分析说明，他们的不确定性相乘，大约在一个普朗克常数的量级，不能再小了。否认这一点，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。

解读 | 张帆

自幼视科学研究为最高价值，坚持拿下了国内外三个理工科学位（但没有一个是博士），终于态度软化，拥抱多元。遂从事磨工、播音员、通信工程师、球馆老板、废塑料贸易、物业管理员、火警维修这些职业，着落在当前的消防喷淋安装，至今兴致勃勃。

播音 | 张帆

策划编辑 | 陈艳

音频编辑 | 秦亚希