《费曼物理学讲义》

简介 · · · · · ·
　　20世纪60年代初，美国一些理工科大学鉴于当时的大学基础物理教学与现代科学技术的发展不相适应，纷纷试行教学改革，加利福尼亚理工学院就是其中之一。该校于1961年9月至 1963年5月特请著名物理学家费恩曼主讲一二年级的基础物理课，事后又根据讲课录音编辑出版了《费恩曼物理学讲义》。本讲义共分三卷，第1卷包括力学、相对论、光学、气体分子动理论、热力学、波等，第2卷主要是电磁学，第3卷是量子力学。全书内容十分丰富，在深度和广度上都超过了传统的普通物理教材。
　　当时美国大学物理教学改革试图解决的一个主要问题是基础物理教学应尽可能反映近代物理的巨大成就。《费恩曼物理学讲义》在基础物理的水平上对20世纪物理学的两大重要成就——相对论和量子力学——作了系统的介绍，对于量子力学，费恩曼教授还特地准备了一套适合大学二年级水平的讲法。教学改革试图解决的另一个问题是按照当前物理学工作者在各个前沿研究领域所使用的方式来介绍物理学的内容。在《费恩曼物理学讲义》一书中对一些问题的分析和处理方法反映了费恩曼自己以及其他在前沿研究领域工作的物理学家所通常采用的分析和处理方法。全书对基本概念、定理和定律的讲解不仅生动清晰，通俗易懂，而且特别注重从物理上作出深刻的叙述。为了扩大学生的知识面，全书还列举了许多基本物理原理在各个方面(诸如天体物理、地球物理、生物物理等)的应用，以及物理学的一些最新成就。由于全书是根据课堂讲授的录音整理编辑的，它在一定程度保留了费恩曼讲课的生动活泼、引人入胜的独特风格。
　　 《费恩曼物理学讲义》从普通物理水平出发，注重物理分析，深入浅出，避免运用高深烦琐的数学方程，因此具有高中以上物理水平和初等微积分知识的读者阅读起来不会感到十分困难。至于大学物理系的师生物理工作者更能从此书中获得教益。
　　 1989年，为纪念费恩曼逝世一周年，原书编者重新出版本书，并增加了介绍费恩曼生平的短文和新的序言。我们按照新版的原本进行了翻译。

作者简介 · · · · · ·
　　费恩曼（R．P．Feynman）1918年生于布鲁克林区，1942年在普林斯顿获得博士学位。第二次世界大战期间在洛斯阿拉莫斯，尽管当时他还很年轻，但已在曼哈顿计划中发挥了重要作用。以后，他在康奈尔大学和加利福尼亚理工学院任教。1965年，因他在量子电动力学方面的工作和朝永振一郎及施温格（J．Schwinger）同获诺贝尔物理学奖。
　　费因曼博士获得诺贝尔奖是由于成功地解决了量子电动力学理论问题，他也创立了说是液氦中起流动性现象的数学理论。此后，他和盖尔曼（M.Gell- Mann）在B衰变等弱相互作用领域内做出了奠基性的工作。在以后的几年里，他在夸克理论的发展中起了关键性的作用，提出了他的高能质子碰撞过程的部分子模型。
　　 除了这些成就之外，费恩曼博士将新的基本计算技术及记号法引时物理学，首先是无处不在的费恩曼图，在近代科学历史中，它比任何其他数学形式描述都更大地改变了对基本物理过程形成概念及进行计算的方法。
　　费恩曼是一位卓越的教育家。在他区得的许多奖项中，他对1972年获得的奥斯特教学奖章特别感到自豪。在1963年第一次出版的《费恩曼物理学讲义》被《科学叛国人》杂志的一位评论员描写为“咬不动但富于营养并且津津有味。25年后它仍是教师和最好的初学学生的指导书”。为了使外行的公众增加对物理学的了解，费恩曼博士写了《物理定律和量子电动力学的性质：光和物质的奇特理论》。他还是许多高级出版物的作者，这些都成为研究人员和学生的经典参考书和教科书。
　　费恩曼是一个活跃的公众人物。他在挑战者号调查委员会里的工作是从所周知的，特别是他的著名的O型环对寒冷的敏感性的演示，这是一个优美的实验，除了一杯冰水以外其他什么也不需要。费恩曼博士1960年在加利福尼亚州课程促进会中的工作却很少人知道，他在会上抨击了教材的平庸。
　　仅仅罗列费恩曼的科学和教育成就并没有恰当抓信这个人的本质。即使是他最最技术性的出版物的读者都知识道，费恩曼活跃的多面的人格在他所有的工作中都闪闪发光。除了作为物理学家，在各种不同的场合下他变成不同的人物：有进是无线电修理工，有时是锁具收藏家，艺术家、舞蹈家、邦戈（bongo）鼓手，甚至玛雅象形文字的解释者。对他的世界人们永远好奇，他是一个典型的经验主义者。
　　 费恩曼于1998年2月15日在洛杉矶逝世。

费曼物理学讲义
★内容简介★
　　费曼物理讲义有别于一般的讲义，它是由费曼的课上教授录音记录而成，而费曼上课
只带一张纸！此书分的章目很多，涉及很多问题，有些章目是其他教材中所没有的，它不
仅广泛的涉及物理各领域，而且有物理与其他学科的关系。费曼是个兴致勃勃的人，他的
兴趣不仅在物理学，这本书可以说体现了费曼的性格，同时由于是录音记录，所以很有风
格，书中妙语连篇。
★旁征博引★
文/关洪（中山大学物理系）
　　1945年秋天，27岁的理查德·费曼(Richard P. Feynman)离开在战争时期为研制原子
弹工作了几年的洛萨拉莫斯基地，到康涅尔大学物理系开始了他的教学生涯。1951年，费
曼转到加利福尼亚理工学院物理系任教，直到1988年初逝世之前，他总是坚持在教学第一
线上。众所周知，费曼在现代理论物理学的研究上，取得了第一流的成就。与此同时，他
对于当代的物理教学，亦做出了异常突出的贡献，可以毫不夸张地说，由他主持写成的《
费曼物理学讲义》，是在20世纪里全世界最有影响的一套物理学教材。
　　在进入60年代之前，费曼在美国一直负责讲授为研究生开设的各门理论物理课程。只
是在他1951年到巴西讲学一年期间，教过一段本科生的物理课程。针对在拉丁美洲看到的
那种为了应付考试而死记硬背的教学方式，费曼曾经指出，学习物理学有五个方面的理由
。他的意思简单说来：第一是为了学会怎样动手做测量和计算，及其在各方面的应用；第
二是培养科学家，他们不仅致力于工业的发展，而且贡献于人类知识的进步；第三是认识
自然界的美妙，感受世界的稳定和实在；第四是学习怎样由未知进到已知的、科学的求知
方法；第五是通过尝试和纠错，学会一种有普遍意义的自由探索的创造精神。

　　由此可见，在费曼看来，学习一门作为自然科学的物理学，并不是单纯为了将来的具
体应用。运用科学知识来制造产品，即把科学当做生产力的一部分，只实现了它的一种较
低层次的价值；而一门物理课的设立，主要也不是为了后续课程或者将来工作的需要。在
《费曼物理学讲义》全书最后的结束语中，他曾经这样说过：“我讲授的主要目的，不是
为你们参加考试做准备——甚至不是为你们服务于工业或军事做准备，我最想做的是向你
们给出对于这个奇妙世界的一些欣赏，以及物理学家们看待这个世界的方式，我相信，这
是现今时代里真正文化的主要部分（或许有其他学科的许多教授会反对这一点，但我相信
他们是完全错误的）。”下面我们先简单回顾一下这套教材诞生的具体经过，再从中引出
一些一般性的议论。

　　加州理工学院物理系有一位散兹(M. Sands)教授，他早在洛萨拉莫斯和康涅尔工作期
间，就同费曼共过事；到加利福尼亚后，他们俩又成了好朋友。在50年代后期，散兹参加
过一个为改进全美国的物理教学而成立的“大学物理委员会”，最后两年还担任了这个组
织的主席。开始的时候，也在讲授研究生课的散兹，在费曼的帮助下，重新修订了他们系
里的研究生课程计划。接着，散兹又把注意力转向本科生的教学。他发现，在那个时候，
他们系里执行的还是由包括已故的密立根(R. Milikan)在内的几位老先生早期定下来的课
程安排，在头两年没有讲到什么相对论和量子理论等近代物理的内容，的确需要更新改进
了。

　　散兹努力说服了他的系主任，后者又向福特基金会取得了支持。1960年，系里指派了
富于教学经验的莱屯(R. Leighton)教授以及精于演示实验的尼尔(V. Neher)，和散兹一同
负责改革物理学引论课程。在散兹参加讨论教学大纲的日子里，一方面他经常向费曼征求
意见，研究怎样能够用简单易懂的方式来表述现代物理学的内容；另一方面，他又时常为
在小组里难以取得一致的认识而伤透了脑筋。

　　一天，心灰意懒的散兹灵机一动地想到：“为什么不请费曼来上这门课，而且让他最
终决定讲些什么呢？”于是他找到费曼说：“你曾经花费了几十年的时间试图理解物理学
。现在这里有一个机会，让你把其中的精华提取到一年级大学生的水平上。”费曼想了一
会儿回答道：“嘿！这是一个有趣的主意！但是你知道，我从来没有教过一年级的物理课
。”实际上，散兹多次听过费曼的研究生课和他在讨论班上的发言，确信费曼的思维方法
和表达形式，会很适宜于这一门课程。经过初步了解之后，费曼先是答应考虑一两天。接
着他又问道：“你知道有没有一位大物理学家讲授过一年级的物理学？”散兹回答：“我
不清楚，但我想不曾有过！”于是费曼说：“好，我干！”

　　散兹把这件事告诉莱屯，莱屯说：“噢，不，这是行不通的。他在教本科生和新生上
是没有经验的。他的头脑高高在天上。这个主意一点也不好。”而尼尔听到后却赞成道：
“噢，这真妙极了！”当他们一起去见系主任时，主任宣称：“噢，不！他对于高级课程
和研究生课程更有价值，而且他从来没有教过一年级的物理课。因此这不是一个好的想法
。我不认为我们应当这样做。”散兹没有气馁，他在系里做了许多斡旋工作，争取到多数
教师、特别是许多年青教师的支持，终于说服了系主任，使这一想法得以实现。

　　结果，从1961年秋季开始，费曼为低年级学生讲授了两年的物理课。同他合作的依然
是散兹、莱屯和尼尔。不过，费曼没有采用他们原先拟定的大纲，而是一切自己从头做起
。在这两年内，他几乎用全力投入这项工作，每个工作日用8～16小时认真备课。费曼在课
堂上的讲演全部录了音，以便整理成文。原来以为找几名担任助教的研究生就可以完成这
项任务。后来发现，要把费曼通俗生动而又颇不规范的口语转写成容易读懂的书面文字，
又要保持其科学性和独特风格，确实不是轻而易举的。所以，后来出版的《费曼物理学讲
义》一书，实际上是在费曼的主持下，由莱屯和散兹执笔写成的。

　　费曼后来回忆道：“我那时工作得非常努力，尽我所能地去解释全部的这个物理学。
当发现我可以比我想我可以从基本的观点理解到更多的东西时，总是感到由衷的喜悦。”
但是，他又说：“我有一个特别的困难。因为我认识到所有的学生并不都是一样的，故此
如果我们讲了太多的相对论、原子、量子理论和一些别的花样时，就会把其他的学生弄糊
涂了。我试图创制一种系统，告诉他们什么是本质的，而什么是那些已经掌握了的学生的
消遣。”费曼希望学生集中注意那些本质的东西，在每次讲课结束时，总是在黑板上写下
当天讲授的基本内容的小结。

　　不过，开始的时候这一计划执行得并不理想。问题出在负责辅导课的那些担任助教的
研究生们，他们总是试图把自己所参与的前沿课题的进展，用费曼所讲的基本观点表达出
来，并且禁不住再多讲一些有关的高深内容，这样就使得多数学生连本质的东西也掌握不
好了。费曼对这种情况很不满意。他说：“讲授内容既使好的学生感到兴趣，又使差的学
生也能掌握，这是一个困难的问题，我没有解决得很好。我也不满意印出的书上没有列出
每章的小结，这种小结本来可以引导读者分辨哪些是本质的基本内容，而哪些是花样和趣
味性的东西。”

　　近来国内有一种意见，认为基础物理学的教学应当着重为读者后继课程的学习以及了
解现代物理的发展，准备这样那样的一些“窗口”，并且以此作为编写有关教材的一条根
本原则。毫无疑问，这种做法对于教学计划的施行，前后课程的衔接等等，都是大有好处
的。任何一门成功的课程，都必然会在某种程度上，达到这样的效果。问题是，把这样一
项要求，当做编写教材的目的或出发点，那就值得我们深思了。

　　对比费曼的教育思想，可以看出这两种主张之间，存在着明显的分别。费曼的确出色
地运用现代的观点来讲解基础物理学的内容，但并不追求大量引用现代物理学进展的例子
。通观《费曼物理学讲义》，我们看到在第一卷里，讲到了颜色视觉和音乐声学；而这些
都是直到本世纪初的普通物理学教材里的常见论题，后来被当做陈旧的内容精简掉了。在
第二卷里，又提到古老的单极电机，以及挂在天花板下的成排灯光对地面照明的均匀性等
极为“经典”的例子。由此可见，费曼并没有刻意营造通向现代物理学成就的“窗口”（
虽然对他说来，这样做一点也不困难），而是着眼于物理学处理疑难的各种理论方法，以
及它在解决各种不同性质的实际问题的威力，而不在乎所涉及到的是现代的还是古典的论
题。譬如，颜色视觉问题，本质上是自然界所运用的一种极不完备的谱分解，在方法上有
其独特之处。这方面的内容除了有日益广泛的应用（如彩色电视，电脑分色等）之外，对
于了解人类感觉机制和有关的哲学分析，亦有重要的意义，确是值得在物理教学中占有一
席之地的。

　　比方说，一位旅行者去到一处陌生的地方。他需要知道这个地区的各个交通进出口和
有什么观光景点等等。旅游手册一类的出版物，就是介绍诸如此类的各种“窗口”的。不
可否认，社会上需要大量的这种出版物；它的应用面，自然是很广泛的。但是，如果把一
门基础科学的教材，定位在这种观光手册的层次上，就不免存在着严重的局限。因为，这
里所说的“窗口”，指向的都是已经发现的领域；而科学工作的主要使命，则是探索未知
的世界。一位物理学家，决不能囿限在已知领域内的漫游，而是要把主要的精力放在创造
性的探险上，对进行探险的科学家说来，更加需要的不是指明各种已知“窗口”的观光手
册，而是掌握如何在沙漠或者丛林中辨别方向，寻找水源，开辟道路以及发现新的自然物
种和人文古迹等等的基本能力。事实上，物理学上的历次重大发现，大都不是简单地沿着
过去的成功方向继续延伸而取得的；很难预料，下一次的突破将以怎样的具体方式出现。
所以，基础物理学的教学必须像费曼所说的那样，以最本质的内容为主体，而不宜一味追
求新花样。各个科学、艺术和体育门类的无数实践都证明了，最重要的是基本功，然后再
是花样。如果把这种关系颠倒过来，过分强调那种同现存现象相联系的“窗口”的作用，
对于基础科学研究人才的培养，就很可能会发生偏差。

　　也许会有读者这样想：毕竟，对于多数毕业生，只要一本观光手册就足够了；探险家
只是少数，而在教学中照顾多数并没有什么不妥。然而，从另一角度来讲，如果在基础课
程里不着重讲清楚最基本的概念和方法，以后就很难再补救了。所以，作为专业教育的基
础课程，必须坚持高层次的要求；不能够因为多数学生将来不会成为科学家，就放松这方
面的训练。费曼在他的《讲义》第一卷的“引言”一节里，开宗明义地指出：“讲授这门
物理课，是着眼于你——读者将要成为一名物理学家。当然，实际情况并不都是这样，但
是每门学科的每一位教授都是这样设想的。”我们想，也就是这个意思。

　　费曼在他的《讲义》结束语里，接着前头所述的那段引文，所讲的最后一句话是：“
也许你们将不仅对这种文化有所欣赏；甚至也有可能你们会要加入到人类理智已经开始的
这一场最伟大的探险当中去。”此外，在他逝世前后出版的两本被认为是他的自传体故事
集的副标题，就取为“一名好奇角色的历险记”。的确，费曼把他的生活，特别是他的科
学事业，当成一次又一次不倦的探索；他的教学活动，就是要把这种勇于探险的精神，传
授给下一代。费曼把他的一生，献给了物理学的研究和教学，亦深深地赢得了学生们的爱
戴。1981年，费曼在一次癌症手术中，突然发生了主动脉破裂的这种极为凶险的情况。听
到电话的召唤，数以百计的大学生立即赶到医院，为他们敬仰的教授输了约40L的鲜血。1
988年2月16日，费曼去世的第二天，在加州理工学院密立根图书馆的顶层，挂出了一幅布
幛，上面用醒目的大字写着：“WE LOVE YOU, DICK”（Dick是费曼名字Richard的昵称）
。费曼的离去已经10年了，而他的教育思想仍然是值得我们研究和借鉴的。