费曼的救生员

蒂莫·汉内（Timo Hannay）

麦克米伦出版社数字科学总经理，“自然”网站前负责人，科学富营（SciFoo）合作创办者。

我想到的这个理论，它不仅独树一帜，而且在表达与说明上，也让人耳目一新。它就是理查德·费曼于1979年在奥克兰大学所做的量子动力学演讲。在科学史上，费曼的这个演讲无疑名列最佳。

首先，该理论是真正深奥的，它与那些最基本的粒子（光子和电子）的行为与作用相关。同时，它对广大范围中的现象作了阐释：从光的反射、折射和衍射，到电子在原子中的结构和行为，以及所产生的化学生成物。费曼宣称，量子的动力学阐释了世界上除了放射性和重力以外的万象，这或许有些夸张，但也只是略微有一些而已。

让我举个简单的例子。大家都知道，光是以直线传播的，除了在不是以直角射向玻璃或水面的时候。为什么呢？费曼解释道，光始终会采取由点到点的最短路径，他打了个比方，救生员沿着海滩奔跑去救溺水之人（救生员是费曼，被救的当然是位美丽的女郎），救生员可以直接跑到水边，然后以对角线游离岸边，但这样会把大部分的时间花在游泳上，比在海滩上奔跑要慢得多。二者选一的话，他可以直接跑到离溺水者最近的水边，在那里入水去救人。但这会让总的距离比实际需要的距离长。如果目标是尽快到达落水女郎的地点，最佳状况是在这两种极端之间找到一个某个地方入水。光，也是从点到点之间选择最短时间的路径，这就是光在传播过程中遇到传播介质的改变时会呈现弯折现象的原因。

费曼继续指出，这依然是个不完整的观点。他解释道，使用这个所谓的路径积分公式，实际上，光从一点传播到另一点会采用所有能想到的路径，但大多数路径会彼此抵消掉，最终，光似乎只依循花费最少时间的单一路径。这也说明了，连续的光和其他物体会以直线的方式运动的原因。如此基本的一个现象，鲜有人会认为这需要有一个阐释或解答。尽管粗看之下，这样的理论貌似荒谬与随性，但其达成了人们喜闻乐见的结果：将科学上最令人不满意的属性，也就是随意性，降到了最低。

作为外行的我，力图言简意赅地传达费曼的理论，但最终结果很有可能让它变得晦涩难懂。但与此相反，让我惊叹的第二个原因是它那难以置信的简单与直观。即便是我，一个不懂数学的前生物学家，有的远不止是一些敷衍的赞美，就像惊叹于某些专家在某些方面发现了某些新颖的东西那样，而是确信，我能够直接共享这个关于现实的新理念。

通常，这样的体验在科学领域实属难得，但理论上，深奥的量子物理学世界，一切皆为未知。它之所以成为真知灼见，在于其采用了视觉语法，就是著名的费曼图，而且完全摒弃了生硬的数学，但其理论核心的自旋矢量，实际上代表着貌似偶然出现的复杂数字。虽然我们并不熟知量子动力学所呈现的世界，但其却用匪夷所思的术语将这个世界阐释得全面而彻底。