王洪見 白 欣 李 琰

(1.北京財貿職業(yè)學院教務處，北京 101101；2.首都師范大學初等教育學院，北京 100048)

0 引 言

費曼(Feynman，1918—1988年)一生醉心于科學研究和教學工作，主張在物理研究中要大膽探索和創(chuàng)新，其學術思想所觸及的深度和廣度令人敬佩.“費曼是這里最才華橫溢的年輕物理學家，他有著非常吸引人的性格與個性，他是一個優(yōu)秀的教師，對物理學的各個方面都有著熱烈的感情.”曼哈頓工程的領導者、著名物理學家奧本海默曾如此評價他.

1 生平簡介

1918年5月11日，費曼出生于美國紐約的一個猶太人家庭，還有一個妹妹，兩人均是物理學家.

在費曼小時候，他父親通過將藍色和白色的2種瓷磚變換擺放方式，幫助他認識各種形狀和學會算術.父親還經常和費曼一起去參觀各類博物館.費曼對于《不列顛百科全書》中的科學類和數(shù)學類詞條特別有興趣，還自學起幾何的知識，他還試著就一些問題做出思考和解釋.費曼日后回憶道:“沒有壓力，只有可愛的和有趣的討論.”顯然，父親對費曼的科學啟蒙是非常重要的，除了學到知識，還使少年費曼領悟到科學美和大自然的美.費曼后來的物理學研究總是從自然界的現(xiàn)象出發(fā)進行思考，能透過觀察和實驗事實的表面而直視其本質，這與他早期的家庭教育有關.

1935年，費曼進入麻省理工學院攻讀數(shù)學和物理學專業(yè).1939年9月進入普林斯頓大學，師從惠勒(Wheeler，1911—2008年)攻讀研究生，研究方向是量子電動力學的疑難問題:發(fā)散困難.1942年，費曼獲得理論物理學博士學位，之后到洛斯阿拉莫斯的實驗室參與研制原子彈的秘密計劃——“曼哈頓工程”.同年，費曼結婚.

1946年開始，費曼先后在康奈爾大學和加州理工學院任教.在加州理工學院期間，他積極參與科學教育的改革，并出版了《費曼物理學講義》.因在量子電動力學方面的突出成就，費曼獲得1965年的諾貝爾物理學獎.

1986年，費曼受委托調查著名的“挑戰(zhàn)者號”航天飛機失事的原因.“低溫下橡膠失去彈性”——費曼只用冰水和橡皮環(huán)就揭示了“挑戰(zhàn)者”失事的根本原因.這就是著名的O型環(huán)實驗.

2年后，1988年2月15日，費曼因腹膜癌在加州洛杉磯逝世，終年69歲.

2 主要科研成就

費曼長期從事物理學的研究工作，不僅在量子電動力學、粒子物理、凝聚態(tài)物理及物理教育等方面的杰出貢獻為當代物理學工作者所敬佩，而且以其高超的科學美學鑒賞力受到物理學界的廣泛贊譽[1].

2.1 路徑積分和費曼圖

1939年，費曼大學畢業(yè)時就具備了較高的科研水平，其畢業(yè)論文發(fā)表在著名的《物理評論》上.1949年，發(fā)表“正電子理論”和“量子電動力學的時空探討”，就電子與光子的相互作用給出了相應的費曼路徑積分、費曼圖和費曼規(guī)則.這些都成為現(xiàn)代理論物理學家使用的基本工具.

費曼的路徑積分方法是一種“歷史累加”的方法.當時科學家已熟知了量子力學的2種形式，即波動力學和矩陣力學.具有創(chuàng)新精神的費曼又找到了第3種形式——基于作用量的路徑積分形式.費曼的方法不但簡單明了，路徑積分的思想還體現(xiàn)著一種物理直覺，為量子力學提供了一種鮮明的物理圖像.這種新的形式與另2種形式完全等效，且對經典力學同樣有效，昭示著現(xiàn)代物理學與經典物理學之間的某種聯(lián)系，也意味著在更高的層次上的統(tǒng)一.量子場論中的“費曼振幅”“費曼規(guī)則”等均以他的姓氏命名，可見其貢獻之大.

費曼圖用于表述場與場之間的相互作用，揭示了物理過程的本質，是物理學中對電磁相互作用的基本表述形式.他獨立提出用躍遷振幅的空間—時間描述來處理幾率問題.可以說，費曼全面發(fā)展了將量子理論應用到前沿研究領域所使用的獨特的方法，并且對這個領域的當代圖景產生重大的影響.費曼的導師惠勒曾經向愛因斯坦介紹過費曼的理論.他說:“費曼已經找到了一種簡潔的圖像，來理解一個動力學體系從一種位形過渡到下一時刻的另一位形的幾率幅.”惠勒認為，費曼的博士論文標志著量子理論第一次變得比經典理論更簡單了[2].

2.2 參與曼哈頓工程

參加研制原子彈的“曼哈頓工程”，對于許多人來說，都是非常榮幸的.24歲的費曼在獲得博士學位的當年就參與了“曼哈頓工程”，與許多世界知名的科學家共事.在這些著名科學家面前他自稱為“無名小卒”，但“大人物們”卻對他的意見給予了充分的重視.他回憶與玻爾、貝特等人的接觸時講到，“一生之中最令我振奮的事情之一，就是碰到這些光芒四射的物理學家”.

玻爾是與愛因斯坦齊名的大科學家.德國納粹占領丹麥后，玻爾便與2個兒子(阿格·玻爾和吉姆·玻爾)離開丹麥到了美國.在美國期間，玻爾父子參加了“曼哈頓工程”，玻爾也受到了大家的格外尊重.玻爾發(fā)表的意見自然受到大家的重視，甚至在會上能一睹玻爾的風采，也能讓與會者感到榮幸.作為“小人物”的費曼，在開會時坐在后排，并且只能在眾多腦袋的縫隙看到一點點玻爾的影子.不過玻爾卻注意到了費曼，在一次重要的會議之前，玻爾專門請費曼單獨交流，就原子彈具備怎樣的結構才能威力更大的問題聽費曼的看法.費曼事后才從小玻爾那得知，老玻爾在一次會上就低聲對他說，“后面那個小伙子(費曼)自信且正直，是唯一不怕我的人，只有他會指出我的荒謬的想法”，并且還指出，“只找那些只會說，‘是的，玻爾博士’的人是不行的”.玻爾能夠在人才濟濟的曼哈頓工程中看中費曼，除了相信費曼不迷信權威，敢于直言之外，更多的則是因為費曼在科學研究上有真知灼見.但費曼總是謙虛地說，自己在人際交往上比較笨，“我總是忘記在跟誰說話，而一味擔心物理上的問題”.

2.3 餐碟引發(fā)的思考

費曼在“曼哈頓工程”中結識的另一位科學家是貝特(Bethe，1906—2005年)，貝特曾在1954年當選為美國物理學會會長，曾預言了μ子的存在，提出氘核的模型和宇宙線研究中的貝特-海特勒模型.他發(fā)表在《現(xiàn)代物理學評論》中的3篇有關核物理學的論文，被科學家們譽為“貝特圣經”.1967年，因為解決了恒星從核聚變反應獲得能量的機理問題，貝特被授予諾貝爾物理學獎.

貝特對問題總是愛刨根問底，因此有“戰(zhàn)艦”的昵稱.費曼認為，貝特最需要找個人來唱反調，看看他自己的想法是否經得起考驗.有一次，貝特找費曼談一些理論問題.費曼說:“不，不，你瘋了.應該是這樣才對.”貝特便解釋為什么不是他瘋，而是費曼瘋了.兩人就這樣吵下去.費曼就是這樣，每當聽到關于物理的一切時，便只想到物理，甚至連交談對象是誰都忘了.但這剛好是貝特所期待的態(tài)度，因此費曼被擢升一級，成為貝特手下的小組長.后來，貝特回到康奈爾大學工作，同時也為費曼爭取到一個職位(薪資是3 700美元).這時，費曼還得到別的機構更高的薪資.但因為費曼喜歡和貝特一起共事，便決定到康奈爾大學，不考慮錢的問題.不過貝特發(fā)現(xiàn)別的同事得到更高薪水的職位后，他就主動跟學校談，把費曼的薪資提高到4 000美元.

費曼到了康奈爾大學后，有一次在餐廳看到一些人在耍盤子，餐碟在空中邊飛邊擺動，邊緣上的?；辙D動的速度比碟子轉動得快.費曼在閑暇之時就思考，碟子為什么會有如此的運動.費曼還將他的這些思考跟貝特進行交流.后來，費曼在推算盤子轉動的方程式時，聯(lián)系到電子軌道在相對論發(fā)生作用的情況中會如何運動，接著是電動力學里的狄拉克方程式，再接下來是量子電動力學……費曼回憶時說:“我還來不及細想究竟怎么回事，就好像打開瓶蓋一樣，所有東西都毫無阻塞地流出來.后來我獲得諾貝爾獎的原因——費曼圖以及其他的研究——全都來自那天我把時光‘浪費’在一個轉動的餐碟上!”這就是真實的費曼，他的物理學研究就是在享受物理，隨興之所至.

3 費曼的教育思想

費曼熱愛學生，非常喜歡教學.他說:“教學和學生使我的生命得以延續(xù).如果有人給我創(chuàng)造一個很好的環(huán)境，但是我不能教學的話，那我永遠不會接受，永遠不會.”他的教學充滿活力和激情，他注重與學生的交流，還往往會在審視學生提出的問題時深入思考許多新問題，萌生一些新的想法.

面對同樣的知識，不同的教學方法將直接影響學生對知識的理解、方法的養(yǎng)成和創(chuàng)新能力的造就.費曼在教學中能巧妙借助科學史的方式來教知識、授方法.例如，在講授萬有引力定律時，介紹觀察實驗、歸納推理、實驗證明等科學研究的方法，并且闡釋運用已有成果探索和創(chuàng)設新理論的思想和方法.他善于設計和運用“模型”，使復雜的問題簡單化，使抽象的概念或復雜難懂的理論簡捷化、直觀化，可幫助學生更好地理解、記憶.費曼在教學中著眼“關系”講“數(shù)量”，著重講清“數(shù)量”背后隱藏的“關系”(即原理)，這樣才能向學生展示一個有血有肉有精氣神的物理科學[3].在獲得的諸多獎項中，最令他自豪的是1972年，美國物理教師協(xié)會向他頒發(fā)的奧斯特獎章.費曼自己也堅信，自己將來如果被人們銘記首先是因為他的教學工作.

3.1 編寫《費曼物理學講義》

作為一個物理學家，費曼不僅積極參與教學工作，還參與了加州理工學院的基礎物理課程改革項目.為此，費曼積極準備他的物理學系列講義.費曼幽默生動、不拘一格的講課風格深受學生們的歡迎.從1961年9月—1963年5月，加州理工學院的同事把費曼講授大學物理課程的錄音等資料整理編輯成《費曼物理學講義》，這套書是費曼對物理學的理解、組織教學和思考問題的方法的集中體現(xiàn).費曼在前言中寫道:“我的主要目的不是幫助你們應付考試，也不是幫你們?yōu)楣I(yè)或國防服務.我最希望做到的是讓你們欣賞這奇妙的世界，以及運用物理學觀察它的方法.”

《費曼物理學講義》對物理學的全貌進行了細致、富有見地的闡述.全書物理概念、理論框架清晰，講述生動、富有啟發(fā)性，不僅是物理學專業(yè)的優(yōu)秀教材，對于每一個試圖理解現(xiàn)代物理的讀者都是不可多得的經典讀物.物理學界和教育界對此書都大加贊賞，許多教師都將此書作為自己教學工作上的指南.由此，費曼有了“老師的老師”的稱譽.在教學方面，費曼能把復雜的概念用簡單的語言表述出來.這種能力除了費曼自身的才華之外，是他認真準備每一堂課的結果.費曼認為，教學能給舊的知識新生命，在課堂上時，你可以思考一些已經很清楚的基本知識.如果你能從新角度去看，你會覺得很愉快.除了參加教學工作，費曼還參加加州課程設計委員會的工作，努力糾正教科書存在的問題，積極撰寫著作或文章向公眾傳播物理學知識.費曼的教學思想和教材編寫經驗，對于當下中國的高等院校的教學改革和教材建設，都是值得借鑒的.

3.2 診斷巴西教育

1951年，費曼應邀到巴西里約大學進行教研工作，并為學生講授電磁學課程.借此機會，他對巴西的教育進行了一番調查研究.在即將離開之際，他在巴西科學院作了一次演講.有趣的是，費曼要求舉辦方讓自己能暢所欲言.巴西方面回答說:“沒問題，這是個自由國家.”

根據(jù)在巴西的教學經歷，費曼對巴西的科學教育現(xiàn)狀評說一番.他坦率地告訴巴西人，他看到的現(xiàn)象是令人震驚的.第一，學生們上課只會做筆記.費曼發(fā)現(xiàn)，巴西的學生上課時就是聽講和做筆記，把老師講的每個字都記下來，借此來應付考試.第二，學生們從不提問.如果有學生提問，其他學生就認為這樣的提問影響了老師的講授，耽誤了時間.第三，不會舉一反三.面對同一個問題，有時學生馬上答得出，有時卻又一片茫然.費曼認為，這是因為學生只是將知識點背誦下來，但對于其本質幾乎什么也不知道.費曼拿著一本被公認寫得好的大一物理教科書說:“在這本書里，從頭到尾都沒有提及實驗結果.隨便把書翻開，無論指到哪一行，我都可以證明書里包含的不是科學，而只是生吞活剝的背誦而已.”費曼還說，為什么那么多巴西學生都在學物理，可是整個巴西卻找不出幾個物理學家?這說明，孩子都是在做無用功!大家都是去努力地考試，然后一代代循環(huán)，大家其實什么都不懂.

在費曼演講結束之后，巴西分管教育的一位官員說:“費曼教授說的全是讓我們坐立難安的事情，但他是真心熱愛科學，而且他的批評也很具誠意.我們應該聽他的.聽講之前，我早已知道我們的教育體制有病，但我現(xiàn)在才發(fā)現(xiàn)我們是患了癌!”

4 總 結

作為物理學家和教育家的費曼，其物理學研究方法和教育思想，對于當下的科學研究、創(chuàng)新人才培養(yǎng)、教育教學改革、課程建設和教材建設都有很好的啟示作用.戴森評價費曼說:“費曼不用系統(tǒng)的數(shù)學，而以他自己的方式實際上‘重新發(fā)明了差不多整套的物理學’.”費曼能夠從身邊任何的事物切入科學，通過生動具體的事例揭示普遍存在的規(guī)律，使人們在驚嘆宇宙的和諧與理性的力量之中欣賞自然.他賦予科學極高的審美價值和豐富的文化內涵，使公眾親近科學，他是科學與公眾之間快樂的媒人[4].此外，費曼還是一個多才多藝的人，他擁有邦戈鼓手、繪畫愛好者、開保險柜“專家”等頭銜，這使得費曼除了作為一個科學家的角色之外，還以一個“科學明星”的角色進入中國公眾的視野之中的.當然，當一個人成名之后，也不可避免地被要求扮演某種類似“公共知識分子”的角色，對研究領域之外的各種問題發(fā)表意見[5].費曼還幾次力辭美國國家科學院院士，且不愿意擔任領導職務.據(jù)說，當費曼獲得諾貝爾獎之后，其同事韋斯科夫曾與費曼打賭，在10年之內，費曼一定會坐在領導的位置上.結果，在10年之后，費曼從韋斯科夫那里贏了10美元.這便是費曼，一位卓爾不群、處處流露真性情的科學家[6]，甚至他在逝世前的最后一句話，也充滿了風趣:“還好，人只需要死一次!否則很討厭，因為它是如此地沉悶……”.許多科普書籍甚至科普影視劇都十分喜歡加入費曼的內容.如著名的美國科普喜劇《生活大爆炸》就多次以費曼為話題.科學家圖羅克對于費曼的熱愛近乎崇拜，他在《宇宙的秘密》中就多處說到費曼.作為一位開拓者，甚至在納米技術和量子計算機領域，費曼也有貢獻.可見，費曼的思想是多么的超前，受人敬仰是不奇怪的.一如費曼逝世時，學生們在加州理工學院的圖書館樓頂掛起的那條橫幅，上面寫著:我們愛你，迪克(費曼的昵稱).