原創(chuàng) Steinhardt 返樸

“準(zhǔn)晶”概念的提出者理論物理學(xué)家Paul J. Steinhardt，回憶了自己最初提出準(zhǔn)晶概念時(shí)在加州理工學(xué)院的報(bào)告，費(fèi)曼帶著他習(xí)慣性的批評(píng)登場(chǎng)，正如他多年前一樣。Steinhardt在故事中也回憶了曾經(jīng)跟隨費(fèi)曼學(xué)習(xí)的經(jīng)歷。如果你在費(fèi)曼面前講完一件事，從他嘴中蹦出的是“不可能”、“荒謬”、“愚蠢”等詞語，這意味著什么？至少，別被嚇到！

撰文 | Paul J. Steinhardt（普林斯頓大學(xué)物理學(xué)教授）

翻譯 | 任愚

不可能！

這話響徹了整個(gè)大報(bào)告廳。而我剛講完一個(gè)關(guān)于一種新型物態(tài)的革命性概念，這是由我和我的研究生Dov Levine共同發(fā)明的。

加州理工學(xué)院的這間報(bào)告廳里坐滿了來自各個(gè)院系的科學(xué)家。討論本來進(jìn)行得相當(dāng)順利，但就在最后的人群魚貫而出的時(shí)候，響起了一個(gè)熟悉的、高調(diào)的聲音：“不可能！”

我閉著眼也能認(rèn)出這個(gè)另類的、低沉沙啞的、帶著明顯紐約腔的聲音。站在我面前的是我的科學(xué)偶像，傳奇的物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（Richard Feynman），他頂著灰白到肩的頭發(fā)，穿著他一貫的白色襯衫，臉上帶著讓人放松戒備的、狡黠的笑容。

愛開玩笑的人——理查德·費(fèi)曼：盡管理查德·費(fèi)曼有著詼諧打趣的幽默勁兒，但他也極度直率。Paul J. Steinhardt記得有一天自己做報(bào)告，結(jié)果看到費(fèi)曼坐在前排，他突然就有點(diǎn)怵。

此時(shí)費(fèi)曼已經(jīng)因其發(fā)展了電磁現(xiàn)象的首個(gè)量子理論的開創(chuàng)性工作而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。在科學(xué)群體當(dāng)中，他已經(jīng)被視為二十世紀(jì)最偉大的理論物理學(xué)家之一。而且，由于他在確認(rèn)挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)事故原因中發(fā)揮的關(guān)鍵作用，以及他的兩本暢銷書——《別逗了，費(fèi)曼先生》（Surely You’re Joking!）和《你不必在乎別人怎么想》（What Do You Care What Other People Think?），他最終在大眾心目中贏得了偶像地位。

他有一種特別頑皮的幽默感，還因其精心設(shè)計(jì)的惡作劇而“臭名遠(yuǎn)揚(yáng)”。但當(dāng)涉及科學(xué)的時(shí)候，費(fèi)曼一直是毫不遷就地實(shí)在并總是嚴(yán)酷地評(píng)判，這使他成為科學(xué)研討會(huì)上特別唬人的存在。誰都可以料到，一旦他聽到什么在他看來是不明確或者錯(cuò)誤的東西時(shí)，他就會(huì)直接打斷并公然向演講人發(fā)難。

所以，當(dāng)費(fèi)曼在我演講開始之前進(jìn)入報(bào)告廳并坐在他習(xí)慣的前排位子上時(shí)，我就敏銳地意識(shí)到了他的存在。在演講整個(gè)過程中，我一直用眼角余光小心翼翼地瞥他，時(shí)刻等待著任何可能的爆發(fā)。但是費(fèi)曼一直沒有打斷我，也沒有提出質(zhì)疑。

“物理X”

演講結(jié)束后費(fèi)曼上前與我對(duì)質(zhì)這個(gè)事兒，恐怕會(huì)嚇到許多科學(xué)家。但這不是我們第一次見。差不多十年前，我還是加州理工的本科生的時(shí)候就十分有幸跟費(fèi)曼一起親密工作，我對(duì)他只有仰慕和愛戴。費(fèi)曼通過他的文章、演講和躬身指導(dǎo)改變了我的一生。

在1970年當(dāng)我作為新生第一次進(jìn)入校園的時(shí)候，我打算學(xué)習(xí)生物或數(shù)學(xué)。中學(xué)時(shí)我從未對(duì)物理產(chǎn)生什么興趣。但我知道每個(gè)加州理工的本科生都要求修兩年的物理課程。

我很快發(fā)現(xiàn)，很大程度上拜那個(gè)教科書，也就是《費(fèi)曼物理學(xué)講義（卷一）》所賜，新生物理難得邪門兒。這本書不像是傳統(tǒng)教科書，而是基于費(fèi)曼在1960年代做的一系列有名的針對(duì)大一新生的物理學(xué)報(bào)告而整合起來的精彩文章。

不像我曾經(jīng)接觸過的任何其他物理課本，《費(fèi)曼物理學(xué)講義》從不拘泥于闡釋如何解題，這使得盡力完成繁難的課后作業(yè)既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。不過，那些文章提供了更有價(jià)值的東西——費(fèi)曼本人思考科學(xué)的方式的深刻洞察。一代代人從費(fèi)曼講義中獲益。對(duì)我而言，那段經(jīng)歷完全是一種啟蒙。

幾周過后，我感覺我被洗腦了一樣。我開始像物理學(xué)家一樣思考，并且熱衷于此。就像我這代人里的許多科學(xué)家一樣，我很自豪地將費(fèi)曼視為我的英雄。我打消了我原本學(xué)習(xí)生物和數(shù)學(xué)的計(jì)劃，而決定加倍努力地專攻物理。

我還記得在我大一階段，有幾次我鼓足勇氣在報(bào)告會(huì)前向費(fèi)曼打了招呼。在當(dāng)時(shí)要再有其他舉動(dòng)是完全不可想象的。但是到了我大三的時(shí)候，我室友和我不知怎的就鼓起勇氣去敲他辦公室門，詢問他能否考慮教一門非正式課程，每周一次和像我們這樣的本科生見面，并回答我們可能提出的任何問題。我們跟他說整個(gè)課程都是非正式的，沒有作業(yè)，沒有測(cè)驗(yàn)，沒有打分，也沒有課程績(jī)點(diǎn)。我們知道他是對(duì)行政事務(wù)毫無耐性的離經(jīng)叛道之人，也希望這種隨性能吸引到他。

十年前或更早些，費(fèi)曼開過類似課程，但只是針對(duì)大一新生并且每年只開一個(gè)季度?，F(xiàn)在我們請(qǐng)求他做一整年同樣的事情，而且對(duì)所有的本科生都開放，特別是像我們這樣的可能追問更多深入問題的三年級(jí)和四年級(jí)學(xué)生。我們建議這門新課程名為“物理X”，就像他之前的課程一樣，讓所有人都清楚它是完全脫離書本的。

費(fèi)曼想了片刻，出乎我們意料，他回答：“Yes!”。所以后面兩年里，我和室友連同其他一些幸運(yùn)的學(xué)生一道，每周和費(fèi)曼一起度過一個(gè)美妙而難忘的下午。

物理X一直這樣開場(chǎng)：他進(jìn)入報(bào)告廳，詢問誰有問題。偶爾，有人想問一個(gè)費(fèi)曼剛好是專家的話題。自然而然地，他對(duì)于這些問題的回答是駕輕就熟的。然而在其他時(shí)候，很明顯費(fèi)曼之前從未想過這些問題。我一直覺得這些時(shí)候特別有意思，因?yàn)槲矣袡C(jī)會(huì)目睹他頭回面對(duì)一個(gè)問題的時(shí)候是如何思考和解決的。

我清楚記得問過一些我覺得有趣的問題，即使也擔(dān)心在他看來這些東西是很無聊的。我想知道：“影子是什么顏色？”

在報(bào)告廳前頭來回走了一會(huì)兒后，費(fèi)曼開始興致勃勃地對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行抽絲剝繭。他發(fā)起了一場(chǎng)討論，關(guān)于影子中的微妙層次變化，關(guān)于光的屬性，關(guān)于顏色的感知，關(guān)于月球上的影子，關(guān)于月球上的地球反照光，關(guān)于月球的形成，等等。我聽入了迷。

在我大四的時(shí)候，迪克同意作為我的研究課題的導(dǎo)師?，F(xiàn)在我能更近距離地目睹他處理問題的方法了。我也體驗(yàn)了沒有達(dá)到他的期待時(shí)他的尖刻口吻。他常用諸如“瘋了（crazy）”、“笨（nuts）”、“荒謬（ridiculous）”、“愚蠢（stupid）”這樣的詞語來批評(píng)我的失誤。

這些刺耳的話一開始很扎心，使我一度懷疑自己是否適合學(xué)習(xí)理論物理。但我發(fā)現(xiàn)迪克并不像我一樣把這些嚴(yán)厲的批評(píng)看得那么重。往往緊接著，他就會(huì)鼓勵(lì)我嘗試不同的方法，并邀請(qǐng)我在取得進(jìn)展的時(shí)候再來。

費(fèi)曼教給我的最重要的一件事是，一些最激動(dòng)人心的科學(xué)意外可以從日?，F(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)。所有你要做的就是花時(shí)間仔細(xì)觀察事物，并問自己好的問題。他還影響了我的信念，就是沒有必要像許多科學(xué)家那樣，迫于外部壓力而局限在科學(xué)的某一領(lǐng)域。費(fèi)曼的言傳身教告訴我，但凡有好奇心指引，那么摸索各個(gè)不同領(lǐng)域也都是可以的。

軌跡

我在加州理工的最后一學(xué)期，我們的一次交流是特別值得回憶的。我在解釋一個(gè)我提出的數(shù)學(xué)方法——可用來預(yù)測(cè)超級(jí)球（Super Ball）運(yùn)動(dòng)行為。這是一種彈性超強(qiáng)的橡膠球，當(dāng)年風(fēng)靡一時(shí)。

這是一個(gè)很有挑戰(zhàn)性的問題，因?yàn)槌?jí)球每次反彈都會(huì)改變方向。我想要預(yù)測(cè)超級(jí)球在一系列放置成不同角度的平面上的彈跳行為，這又增加了一層難度。例如，我計(jì)算了它從地面彈到桌子底下，再到一個(gè)傾斜平面，然后到墻上的軌跡。這些看似隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)根據(jù)物理定律是完全可以預(yù)測(cè)的。

我給費(fèi)曼看了我的一個(gè)計(jì)算。它預(yù)測(cè)我扔出超級(jí)球后，經(jīng)過一系列復(fù)雜的彈跳，它會(huì)正好回到我的手中。我遞給他論文，他掃了一眼我的公式。

“這不可能！”他說。

不可能？我被這個(gè)詞嚇了一跳。這是從他嘴里蹦出的新詞兒。不再是“瘋了”或者“愚蠢”這些我有時(shí)已有預(yù)期的評(píng)價(jià)。

“為什么你覺得它不可能？”我緊張地問。

費(fèi)曼指出了他的考慮。根據(jù)我的公式，如果有人從某一高度釋放超級(jí)球且讓其帶轉(zhuǎn)兒的話，這球是會(huì)回彈，并且是以一個(gè)與地面很小的角度彈向一邊。

“這很明顯不可能，保羅”，他說。

我瞧著我的方程，發(fā)現(xiàn)我的預(yù)測(cè)確實(shí)表明這球會(huì)回彈，并取一個(gè)很小的角度。但是我不那么肯定這是不可能的，盡管它看起來是反直覺的。

我現(xiàn)在已經(jīng)身經(jīng)百戰(zhàn)，敢于反駁了?！昂冒桑蔽艺f，“我之前從來沒有試過這個(gè)實(shí)驗(yàn)，就讓我們就在你的辦公室試一把吧?！?/p>

我從口袋里掏出一個(gè)超級(jí)球，費(fèi)曼盯著我給它一個(gè)轉(zhuǎn)兒并丟出手。十分確定，這個(gè)球精確地以我的方程預(yù)測(cè)的方向彈射出去了，以一個(gè)與地面非常小的角度彈到一邊，這正是費(fèi)曼覺得不可能的方式。

一念之間，他知道了自己的錯(cuò)誤。他沒有考慮到超級(jí)球表面非常高的粘性，而這會(huì)改變旋轉(zhuǎn)對(duì)球軌跡的影響。

“好蠢！”費(fèi)曼大聲說，用他有時(shí)拿來批評(píng)我的一模一樣的語氣。

經(jīng)過兩年的合作，我終于確切知道我一直懷疑的了：“愚蠢”只是費(fèi)曼的一種表達(dá)，用于任何人也包括他自己，是作為盯住一個(gè)失誤從而不會(huì)再犯的一種方式。

我也意識(shí)到，當(dāng)費(fèi)曼用“不可能”的時(shí)候，不必然意味著“不可實(shí)現(xiàn)（unachievable）”或者“荒謬（ridiculous）”。有時(shí)候它意味著，“哇！這有一些神奇的東西，與我們通常認(rèn)為是正確的東西相矛盾啊。這值得去搞搞清楚！”

準(zhǔn)晶

所以11年后，當(dāng)報(bào)告之后費(fèi)曼以一種詭笑走近我，并開玩笑地聲稱我的理論“不可能”的時(shí)候，我十分清楚我知道他指的是什么。我報(bào)告的主題，一種被稱為“準(zhǔn)晶（quasicrystals）”的全新的物質(zhì)形態(tài)，與他認(rèn)為是正確的原理相沖突。所以它是有趣的，也值得搞搞清楚。

我在桌上設(shè)置了一個(gè)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證該想法，費(fèi)曼走上前來，他指著它們并要求，“再給我演示一遍！”

我撥動(dòng)開關(guān)開始演示，費(fèi)曼一動(dòng)不動(dòng)站著。他親眼目睹，見證了科學(xué)上一個(gè)最廣為人知的原理被明確地違背了。這一原理是如此基本，他在費(fèi)曼講義中也講述了它。事實(shí)上，這些原理近200年來一直被傳授給每一個(gè)年輕的科學(xué)家。

但是現(xiàn)在，我在這兒，站在理查德·費(fèi)曼前頭，解釋這些長(zhǎng)期存在的準(zhǔn)則是錯(cuò)誤的。

晶體不是唯一可能的具有有序原子排布和點(diǎn)狀衍射圖案的物質(zhì)形態(tài)?，F(xiàn)在存在一個(gè)大量可能性的新世界，它們有著其自身的準(zhǔn)則，我們稱之為準(zhǔn)晶。

我們選擇這一名稱是為了擺明這些新材料與通常的晶體有何不同。兩類材料都包含一組在整個(gè)結(jié)構(gòu)中重復(fù)的原子。

在晶體中的一組原子以規(guī)則的間隔重復(fù)，就像五種已知的圖案一樣。然而，在準(zhǔn)晶中，不同原子組以不同的間隔重復(fù)。我們的靈感來自一種被稱為彭羅斯拼圖（Penrose tiling）的二維圖案.這類圖案非同尋常，它們包含了兩種不同類型的拼塊，并且以兩種不可公度的間隔重復(fù)而形成。數(shù)學(xué)家稱這樣的圖案為準(zhǔn)周期的（quasiperdiodic）。因此，我們把我們的理論發(fā)現(xiàn)命名為“準(zhǔn)周期晶體（quasiperiodic crystals）”，或者簡(jiǎn)稱為“準(zhǔn)晶（quasicrystals）”。

我為費(fèi)曼做的那個(gè)小演示可以證明我的觀點(diǎn)，僅用一束激光和一張準(zhǔn)周期圖案的照相投影片。我按費(fèi)曼的指令打開激光，將光束對(duì)準(zhǔn)，這樣它通過投影片投到遠(yuǎn)處墻上。激光產(chǎn)生了如x射線穿過原子間的通道一樣的效果：它產(chǎn)生了一個(gè)衍射圖案，就像下面照片中展示的那樣。

我關(guān)上頂燈，這樣費(fèi)曼可以更清楚地看到墻上那些雪花樣的點(diǎn)狀圖案。它不像任何其他費(fèi)曼曾見過的衍射圖案。

正如我在報(bào)告當(dāng)中做的那樣，我向他指出，最亮的點(diǎn)形成了同心的十元環(huán)。這聞所未聞。我們也可以看到一些斑點(diǎn)形成了五邊形，這揭示了一種被認(rèn)為是在自然界中被絕對(duì)禁止的對(duì)稱性。更仔細(xì)的觀察揭示了斑點(diǎn)間的更多亮斑，以及越來越多的亮斑。

費(fèi)曼要求更仔細(xì)地看那個(gè)投影片。我打開燈，把它從托板上取下遞給他。投影片上的圖像縮得如此之小以至于很難看清細(xì)節(jié)，所以我也遞給他一張拼圖的放大版，他可以把它放在桌子上在激光前頭看。

接著的一段時(shí)間在靜默中過去。我開始感覺自己又像是一個(gè)學(xué)生了，等待著費(fèi)曼對(duì)我想到的最新荒誕想法作出反應(yīng)。他盯著桌子上的放大版，將投影片重新塞進(jìn)托板，自己打開激光。他看來看去，一會(huì)兒盯著桌子上的放大印版，一會(huì)兒抬頭瞧瞧墻上的激光圖案，重又低頭看放大版。

“不可能！”費(fèi)曼最后說。我點(diǎn)頭同意并笑了，因?yàn)槲抑肋@是他的一種最高贊許。

他回望向墻壁，搖著他的腦袋。“絕對(duì)不可能！這是我見過的最驚奇的一件事兒?！?/p>

然后，不再說什么，費(fèi)曼興奮地盯著我，臉上堆著狡黠的笑。

作者簡(jiǎn)介

Paul J. Steinhardt是普林斯頓大學(xué)阿爾伯特·愛因斯坦科學(xué)教授、普林斯頓理論科學(xué)中心主任，研究方向涵蓋粒子物理學(xué)、天體物理、宇宙學(xué)、凝聚態(tài)物理學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。Steinhardt是著名的宇宙暴脹模型提出者之一，后來合作提出了“循環(huán)宇宙模型”。1983年他與學(xué)生Dov Levine提出了準(zhǔn)晶理論，隨后闡明了這項(xiàng)新物質(zhì)結(jié)構(gòu)的諸多數(shù)學(xué)和物理性質(zhì)。2009年他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)天然準(zhǔn)晶。

本文譯自What Impossible Meant to Richard Feynman, Nautilus, 2021.11.24,，原文選自Paul J. Steinhardt著The Second Kind of Impossible: The Extraordinary Quest for a New Form of Matter一書。原文鏈接：https://nautil.us/issue/108/change/what-impossible-meant-to-richard-feynman

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原標(biāo)題：《“不可能”對(duì)費(fèi)曼來說意味著什么？》

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