李俠，尹輝 上海交通大學科學史與科學文化研究院，上海 200240  
理查德·菲利普斯·費曼（Richard Phillips Feynman，1918-1988）是美國著名理論物理學家，也被視為20世紀最具影響力的科學家之一。他不僅在量子電動力學等領域做出奠基性貢獻，提出了著名的費曼圖和路徑積分方法，還以其鮮明的個人風格、嚴謹而又自由的科研態度，成為科學精神的重要象徵。費曼的一生體現了一位科學家探索未知世界的執著與熱情。他不僅是諾貝爾獎的獲得者，更是優秀的教師、科學精神的傳播者。通過梳理費曼的生平貢獻、科學實踐、科學方法以及科學信念，有助於更好理解科學精神是如何產生的，以及這些獨特精神特質是如何以多樣化的方式溢出並產生影響的，這些獨特的風格與精神特質對於我們今天的科學工作者理解與傳播科學精神具有重要的啟示意義。 一、費曼的奇妙人生與傑出貢獻 1918年，費曼出生於美國紐約。年幼的費曼就對世界充滿好奇，他似乎從不拘泥於學校、家庭的束縛。十一二歲時，他就在家裏搭起自己的“實驗室”，實際上，與其說是實驗室，不如說是他的遊戲樂園，他自己做馬達，或者利用一些零件設計電子小玩意兒，他還有一座顯微鏡，經常用來觀察各種生物。因此，和學校裏那些按部就班的孩子相比，費曼總是能親自嘗試各種有趣的實驗，遇到問題，他便自己嘗試解決，這些看似離經叛道式的學習方式卻讓他獲益匪淺，幾乎可以肯定的是，在費曼眼裏，所謂的學習不過就是一場遊戲，他十分樂意享受獨自探索的冒險與樂趣。小學畢業以後，費曼就開始自學微積分，那段時間，他迷戀上了《簡明微積分》和《實用微積分》兩本教材。費曼對學校老師安排的課程內容不滿，很多知識都是靠自學獲得的，並且他特別喜歡超前學習，以至於在中學階段就開始接觸狹義相對論。費曼在中學時的思維就極其活躍，他不僅不滿足於課本上的知識，甚至還自己編寫題目和定理。對於代數題，費曼通常不會用傳統套公式的方法解出答案，有時他能一眼看出答案，有時他會自己發明新的方法得出答案，這些日常訓練無疑都為他將來的研究打下了堅實的基礎。 1935年末，費曼進入麻省理工學院（MIT）學習物理。費曼的天賦和努力令所有人驚豔，大學第四年，他便基本掌握了本科和研究生階段所有物理知識，並在物理學界權威期刊《物理評論》（Physical Review）上發表了關於量子力學的學術論文。1939年，費曼獲得學士學位。年輕的費曼對理論物理學表現出濃厚的興趣，他毅然選擇了在學術道路上繼續前行。隨後，費曼來到普林斯頓大學（Princeton University）攻讀博士學位，在那裏，他跟隨年輕的助理教授約翰·阿奇博爾德·惠勒（John Archibald Wheeler，1911-2008）。惠勒與費曼稱得上是一對絕佳的學術搭檔，他們相互啟發，從不互相嘲笑對方看似瘋狂的想法。師徒二人大膽猜想，小心求證，解決了諸多量子力學與電磁學領域的問題。1942年，費曼獲得理論物理學博士學位，他首次提出路徑積分的方法，為他後來的研究工作奠定基礎。 第二次世界大戰期間，費曼參與了曼哈頓計畫。他來到美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory），主要任務是負責制造原子彈。1945年7月16日，人類歷史上首枚核彈在沙漠中被成功引爆，試驗代號為“三位一體”（Trinity），而這項工作很大程度上歸功於費曼。試驗的成功，雖然給費曼帶來了很高的榮譽，但也時常令他憂心忡忡。同年，他來到康奈爾大學（Cornell University）任教（1945-1950），1951年，他轉入加州理工學院（California Institute of Technology），擔任理論物理學教授，他在這裏度過了職業生涯的大部分時間。期間，費曼因在量子電動力學（Quantum Electrodynamics, QED）方面的傑出工作以及對基本粒子物理學產生的深遠影響，與朱利安·施溫格（Julian Schwinger，1918-1994）、朝永振一郎（Tomonaga Sin-Itiro，1906-1979）共同獲得1965年諾貝爾物理學獎。 晚年時期，費曼在理論物理學領域並未做出重大成果，但在1986年，他參與了美國“挑戰者號（Challenger）”太空梭事故的調查，這場調查也成為費曼晚年最為人津津樂道的一件大事。1986年1月28日，美國太空梭“挑戰者號”在發射升空僅73秒後爆炸解體，7名宇航員全部遇難，這是美國航太史上的重大災難，引發全國震驚。費曼被邀請作為事故調查會成員，他敏銳地察覺到NASA和承包商在技術報告中的“模糊問題”，尤其在火箭助推器（SRB）上的密封的“O型環”可能在低溫下實效。在一次電視轉播的公開聽證會上，費曼向公眾直觀演示問題：他當場把O型橡膠圈泡在冰水裏，幾十秒後取出，展示它在低溫下已經變得硬而脆，失去了彈性。費曼的這場著名的冰水實驗震撼了所有人，展現了他在科學探究和社會責任方面的影響力，也成為科學史上與公眾科學溝通的經典時刻。1988年，費曼因罹患嚴重癌症逝世。 二、費曼的科學精神的表徵：讓科學實踐說話 費曼在科學上的重要貢獻是量子電動力學（QED）。QED作為研究電磁相互作用的量子場理論，被視為現代物理學的重要基石。二十世紀二十年代，英國物理學家保羅·狄拉克（Paul Dirac，1902-1984）建立了狄拉克方程，首次將量子力學與狹義相對論結合起來，成功描述了電子的自旋和相對論效應，為量子電動力學的建立奠定了重要基礎。然而，隨著實驗的深入，早期量子場理論在解釋現象方面的局限性逐漸顯露，如1947年，美國物理學家威利斯·蘭姆（Willis Lamb，1913-2008）通過實驗發現氫原子中兩個電子軌道之間能量的異常差異（Lamb Shift），無法通過狄拉克方程得到合理解釋。即便這種差異相當微小，也足以表明既有理論的嚴重缺陷，亟待一種新理論的到來。借用托馬斯·庫恩（Thomas Kuhn，1922-1996）的範式理論，此時的量子電動力學進入了科學發展的“反常與危機”階段。 二戰後，一批物理學家試圖重建量子電動力學的理論大廈，其中取得卓越貢獻的便是費曼。費曼徹底拋棄了原有思路，而是依照他自己對該理論的獨特理解，尋找一套新的方法和數學工具。他將基本事件視為粒子，引入了費曼圖（Feynman diagram），把粒子之間複雜的相互作用畫成幾何圖形，借助數形結合的方式研究散射振幅，極大地簡化了計算。費曼圖不僅直觀揭示粒子過程，也成為後來粒子物理學的基本計算工具。費曼的這一貢獻不能僅僅理解為一種科學創新，更應該看作一場革命式的顛覆，因為他不是在原有的理論上進行修正，而是在探求全新的方法理論體系，採用這套新體系，不但解決了前期量子電動力學的諸多問題，而且為推測未知帶來可能。不可否認，費曼的工作使得量子電動力學直接進入了庫恩所講的“新常規科學”階段，將量子電動力學的發展推向新的高度。因此，費曼被授予1965年諾貝爾物理學獎。 20世紀的前30年，相對論和量子力學迅猛發展，狄拉克、海森堡（Heisenberg）、薛定諤（Schrödinger）、玻爾（Bohr）等一批物理學家已經確立了基本的理論框架，這一時期也被視為物理學發展的黃金年代。從這個角度上說，費曼確實生的“太晚了”，他沒能參與早期開創性的物理學巨變。但後來的事實證明，早期的框架存在諸多缺陷，三十年代後期，隨著實驗的推進，越來越多新的現象無法得到合理解釋，舊理論的大廈岌岌可危，正在這時，費曼憑藉一系列突破性創新重新修建起新的理論體系。費曼雖然錯過了早期物理學的黃金時期，卻參與了後期理論發展的重要變革時期，並以其卓越天賦成為科學史上一顆耀眼的明星。費曼在諾貝爾獎演講的最後，謙遜地說：“那麼，我年輕時愛上舊理論怎麼辦？好吧，我想說，她已經成為一位老太太，她幾乎沒有吸引力了，今天的年輕人看著她時，不會再心潮澎湃。但是，我們可以對任何老婦人說，她一直是一個非常好的母親，她生下了一些非常好的孩子。而且，我感謝瑞典科學院讚揚了他們中的每一個。謝謝您。” 在費曼的許多傳記中，如典型的《別鬧了，費曼先生：科學頑童的故事》，給公眾留下的是一位聰明滑稽的天才科學家形象，他似乎從不遵守紀律，更多是各種搞怪與奇思妙想，但正是這種性格讓他在科學的旅途中從不循規蹈矩，他喜歡鑽研有趣的現象，遇到問題刨根問底，總是努力獨立解決問題，以至於他比同齡人懂得更多知識。各種笑鬧軼事的背後，折射出天才物理學家對世界始終保持好奇的可貴品質，正是這種對世界的好奇，使得他在物理世界持續發揮著創造力。實際上，費曼的科學工作相當創新和扎實，他對學術始終保持嚴謹，他曾說：“我有一個原則，我寫的任何東西，我都應該理解個透徹；與我知道的相比，落在紙面上的應該稍微少一點；無論我寫的什麼，會是對的。我不喜歡某個人寫的論文；提出一個觀點，三個月後，大家發現那是個傻玩意兒。” 除嚴肅的物理學研究之外，費曼在科普與科學教育領域也卓有成效。1963年，費曼出版了《費曼物理學講義》（The Feynman Lectures on Physics），主要是他給本科生上物理課時的記錄，至今已被翻譯成數十種語言，並且多次再版。作為一份物理學講義，內容涵蓋了從古典物理到量子物理的重要概念，深入淺出，語言輕鬆又不失嚴謹，更重要的是，這套講義處處體現費曼對物理學核心概念獨特的理解和思考方式，不僅能讓專業讀者獲得全新的理解，也讓非專業讀者得到啟發。儘管已經過去六十餘年，物理學理論也發生很大改變，但講義中所展現的精彩論證至今仍舊價值非凡。此外，費曼還出版了《物理學定律的本性》（The Character of Physical Law）、《量子電動力學：光和物質的奇妙理論》（Q.E.D.: The Strange Theory of Light and Matter）等科普書籍，他的科普書重思維輕公式，用親身經歷吸引讀者，鼓勵他們自己探索，享受科學發現的樂趣。 除了出版書籍外，費曼還熱衷於各類訪談和講座。作為一名科學家，費曼對待學術極其嚴肅，對待公眾又如此熱情，他十分謙遜並且認為，在多數問題上，他和公眾一樣面臨未知和不確定，但他十分樂意拿出自己的想法與大家一起交流，比如他討論“科學的概念是什麼”、“科學有什麼價值”、“科學文化在現代社會中扮演什麼角色”、“科學與宗教存在何種關係”等。除此之外，費曼對科學教育也充滿興趣，他曾作為美國加州州立課程委員會的成員，參與加州小學1至8年級的算術課程修訂，為此，他還專門仔細閱讀出版商提交的幾乎所有書籍（大約有500磅），只為挑出適合學生閱讀的優秀教材。費曼從事科普與科學教育工作，更多是一種理想與責任，他希望能夠通過自己的努力培養未來的數學家、物理學家，讓更多熱愛學術的人創造屬於他們自己的未來。 三、費曼的科學精神的支撐：科學方法 在傳統觀點看來，科學研究必須嚴格遵從一定的方法或程式，因為只有這樣才能確保結果的準確無誤。但費曼卻認為，解決一個問題其實沒有固定的方法，只要可行，我們就可以採取任何方法找到問題的答案。比如費曼小時候遇到“2x+7=15”這種代數題，他很快就能得出“x=4”，但他的堂兄反駁道：“對。可是你用的是算術的方法算出來的，現在必須用代數的方法。”在費曼看來，這個問題的目標就是算出x的具體值是什麼，至於用何種方法，根本不重要，學校裏教的“一套規則”，不用思考就能得出答案，但那樣程式化的思維方式掩蓋了問題的本質，讓人無法理解自己的行為。這種觀點與美國哲學家費耶阿本德（Paul Feyerabend，1924—1994）在1969年提出的：反對方法，怎麼都行的無政府主義認識論有異曲同工之妙，科學界與哲學界在方法論上難得一見地達成共識。費曼認為，傳統的教科書存在大量僵化的思想，以至於我們在解決問題時，只會沿著前人的模式一遍又一遍地重複，這樣做的結果是，我們只掌握了十分有限的公式、定理，一旦需要解決的問題超出這些公式定理的範疇，結局將以失敗告終。傳統學術過於依賴“套板”，它總是希望把一切都放在一個有限的、嚴格的固定形式中，所有研究都要放在這個“套板”中進行，這樣做的好處是，很多時候能夠高效解決一些問題，有效避開彎路，但是，“套板”也意味著僵化，固定的模式與科研創新是完全背道而馳的，缺乏學術自由、思想自由的研究更多是一種形式，而非對真理的探求。 費曼認為，一位真正的數學家，要做的不是證明某個結論的正確性或者做出完整的邏輯論證，因為那樣毫無創造力可言。數學家要發現有價值的問題，然後試圖找到解決問題的方法，有時候可以採用現有方法找到答案，但更多時候沒有，這時就需要自己發明出新的方法，然後用新的方法解決問題。這個過程必然需要靈活的思維和敏銳的洞察力，儘管這樣做難度很大，卻頗具價值。只有當越來越多的研究者從事開創性研究，才會不斷擴展研究空間，從而取得更多開創性成果，這也是從事科學研究應有的思維態度。 費曼經常提到“發現的樂趣”。費曼的成功多少有些顛覆和瘋狂，他曾說：“在尋找新的規律時，你總是有一種心理興奮的感覺，可能沒有人想到你現在看到的瘋狂可能性。”他不喜歡隨便接受某個現成的知識，而是一定要通過自己的實踐和思考，親自發現、認識理解以後才能接受，因此，費曼才能對理論物理學的知識掌握得如此透徹，也能講得深入淺出。所謂學術，不過是經過觀察、實驗、邏輯推理等方式，發現某一新問題、現象或結論，這是一種從無到有的過程，是探索未知的過程，這個過程令費曼如此著迷，甚至瘋狂。費曼總是把問題的答案作為目標，為了找到答案，他會想盡各種可能的辦法，試圖把一個問題徹底弄明白。他曾說：“我越是問為什麼，事情越是有趣。那是我的看法，事情越複雜，它越叫人感興趣。”費曼喜歡向難題發起挑戰，問題越是困難，越能激起他思考的動力，一旦發現問題的答案，也將獲得巨大的快樂。因此，在費曼眼裏，難題不是阻礙他前進的絆腳石，而是讓他得到快樂的重要途徑，所以他才能不斷發現新知識，開闢新領域。 此外，費曼還對科學語言進行論述。一般來說，科學語言要求清晰、精確、統一。費曼認為，其實科學語言也不過是一種約定俗成，實際上，絕對精確的東西是完全不存在的，科學語言的目的是要把資訊清楚地傳達給對方，因此，科學語言的精確只需要放在那些有疑問的地方。尤其對於初學者而言，很多書籍並不是直接告訴他們科學事實，而是先進行大量定義，製造大量生僻辭彙，這些對初學者不僅不必要，而且很容易讓他們喪失興趣，比如在幾何學中，有些書籍先對封閉曲線、開放曲線、封閉區域和開放區域進行精確定義，但其實涉及的幾何學知識不過是平面上畫一條線，把平面畫成兩個部分；再如集合論中表示集合關係的符號繁多複雜，但這些符號幾乎從來沒有出現在任何理論物理、工程、商業算數、電腦或其他需要用到數學的領域，費曼批判這種無趣的語言，認為這不是一種表達自我的有用方式，它聲稱是精確的，但也僅僅為了精確。 費曼能在科學上取得成功，還與他高效的學習方法密不可分。在費曼的著作中，他經常提到：掌握一門知識的方式就是試圖把這門知識講給不懂的人聽，而且要盡可能用通俗簡單的方式進行解釋，越清晰越好，如果不能用簡單明瞭的話向他人解釋清楚一個概念，那麼就沒有真正掌握它。後來人們將這種學習方式簡稱為“費曼學習法”，實際上，從費曼的學習經歷足以發現，他對物理知識掌握如此透徹依賴的便是這種方法。 四、費曼的科學精神的硬核：科學信念之錨 費曼以科學為志業。科學給費曼帶來樂趣、榮譽和金錢，他堅信科學是他一輩子要做的事，這不僅關乎他自己的選擇，也是一種對人類的責任。費曼曾說：“如果你能找個事兒，年輕時喜歡幹，又足夠重要，在你的整個成年階段都保得住你的興趣，那就太妙了。因為，無論那是個啥事兒，如果你做得足夠好（如果你真喜歡，你會做得足夠好），人家無論如何也會給你錢，讓你去做你想做的事兒。”（《費曼語錄》，[美]米歇爾·費曼編，王祖哲譯，2020）費曼是一個很簡單，也很灑脫的人，他熱愛物理，就把物理當作自己的事業，並且願意一生為之付出，他堅信科學是值得託付的，因為只要他做得好，科學就必然給予他應有的回報，科學是他的信仰。 科學究竟是什麼？費曼認為，科學的原則（或者簡單地說科學的定義）是，實驗是一切知識的檢驗者，實驗是判斷科學“真理”的唯一標準。儘管在科學知識社會學（SSK）看來，科學實驗（事實）本身也是一種社會建構，但從科學史的角度來看，科學之所以卓越，是因為它能不斷被實驗驗證，而且科學存在自我糾偏機制，很多科學理論都能經受住時間的考驗，並為人類造福，因此，目前我們仍可通過觀察實驗等方式認識世界。不可否認，費曼將“科學”與“實驗”等同的觀點屬實較為極端，但也應該意識到，他如此表述的目的在於強調實驗對科學的重要性。費曼認為，科學家首先要有大膽提出假設的勇氣，然後通過實驗檢驗事實等方式加以證實，我們認識到的事實即作為證據，不容置疑。 科學如何進步？在費曼看來，科學的進步源於科學家的無知。費曼承認科學家是無知的，但無知也是有好處的。費曼說：“作為科學家，我們知道偉大的進展都源於承認無知，源於思想的自由。”正是無知，讓科學家們奮力探索未知，不斷解決各種難題。在費曼眼中，無知有一種魔力，它能指引科學家從不確定走向確定，對於確定的事情又保持質疑。無知意味著人類尚有探索的空間，正如費曼所說：“我認為，我們所做的就是探索——我們在嘗試盡力發掘這個世界的更多奧秘……我對科學的興趣很簡單，就是去更多地發現和理解這個世界。我發現得越多，發現這件事就變得越美妙。”從科學史的角度來看，人類對事物的認知總是處在變化之中，似乎永遠沒有永恆的真理，那麼，科學家對世界保持無知和質疑本身將成為推動科學發展的動力。費曼的觀點與卡爾·波普爾（Karl Popper）的證偽主義有異曲同工之妙，他們都認為真正的科學理論應該冒著被證偽的風險，科學沒有“最終的真理”，只有“尚未被推翻的解釋”。對於科學家而言，要做的並不是捍衛自己的理論，而是保持警惕和批判，同時懷有一顆自由探索的心，為科學進步努力前進。 科學有什麼價值呢？費曼給出三個答案。其一，科學知識使人們能夠製造更多產品、做許多事業。科學具有正向價值是肯定的，但費曼也深刻意識到科學的另一面，他曾提到佛經中的一句箴語：“每個人都有天堂之門的鑰匙；同樣是這把鑰匙，也開啟地獄。”關於科學兩面性的觀點早已屢見不鮮，但費曼本人明顯更偏向科學的正面價值，他認為：首先，沒有科學這把鑰匙，我們將永遠無法叩開“天堂之門”；其次，沒有鑰匙，即便我們能夠明辨天堂與地獄，仍然束手無策。其二，科學提供智慧與思辨的享受。自古希臘的自然哲學開始，人類就不斷對世界萬物展開追問，追求智慧和真理是人的本能，這一過程不但是人類生存發展的需要，更是一種享受和思維的樂趣，科學是人類共同的思想資源和精神財富。其三，科學改變了人們對世界的概念。哲學、藝術、宗教等等都是我們認識世界的方式，但科學建立在理性實證主義精神之上，儘管科學無法解釋全部，但它能更好地指導我們探索自然，給我們提供更廣闊的思維空間，幫助我們預測未來。從費曼的論述來看，他對科學的評價整體而言是好的，人類需要科學去解決更多問題，科學具有無限力量。