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在与时间的斗争中,他改变了物理学

原创
量子力学 量子 宇宙起源 量子意识
返朴


对惠勒 (J. A. Wheeler)来说,解释时间是一场和自己的竞赛。

撰文 | AMANDA GEFTER

翻译 | 1/137

明信片上只有两个字:“快点。”

当33岁的物理学家惠勒收到他弟弟乔 (Joe) 寄来的明信片时,他正在华盛顿州汉福德(Hanford)的核反应堆工作,这里负责向洛斯阿拉莫斯输送钚。那是1944年夏末。乔在第二次世界大战的意大利前线作战。他很清楚他哥哥打算干什么。他知道五年前,惠勒和丹麦物理学家玻尔一起解决了核裂变的物理问题,不稳定同位素的元素如铀,或者将会很快被发现的钚,在中子的轰击下,发生裂变,释放出难以想象的原子能——足以夷平一座城市,结束一场战争。

明信片寄来后,惠勒以最快的速度工作,曼哈顿计划(Manhattan Project)在第二年夏天完成了原子弹的制造。在新墨西哥州的乔纳达德尔穆埃托(Jornada del Muerto)沙漠,物理学家引爆了人类历史上的第一次核爆,将1000英尺厚的沙子变成了玻璃。该项目的负责人奥本海默(J. Robert Oppenheimer)在10英里外的安全大本营观看,他默默地引用印度教经文《薄伽梵歌》(Bhagavad Gita):“现在我成了死神,世界的毁灭者。”在汉福德,惠勒却想着另外的事:希望我没有太晚。他还不知道在佛罗伦萨附近的山腰上,乔已横尸在掩体里。

当惠勒得知这个消息时,他崩溃了。他在回忆录中自责道:“人们无法逃避这样的结论,如果原子弹计划早一年开始,早一年结束,就能挽救1500万人的生命,我弟弟乔就是其中之一。如果我试过,我可能会影响决策者。”

时间。作为一名物理学家,惠勒一直好奇地想解开那个神秘维度的本质。但现在,随着乔的去世,这变成了私事。

惠勒的余生也许一直都在与时间作斗争。他的日记总是放在手边(如今藏于费城的美国哲学学会图书馆的档案中,未出版),日记中揭示了一个痴迷的思想者令人惊叹的肖像,时刻意识到自己即将死亡,陷入与时间的赛跑中,不是为了回答 某个问题,而是为了回答:“为什么会存在?”

惠勒写道:“在彻底洞察存在的所有障碍中,没有比‘时间’更令人沮丧的了。”“解释时间?除非解释存在。解释存在?不解释时间就不行。”

时光荏苒,惠勒日记中关于时间的条目越来越频繁和紧迫,行文也越来越不稳定。在一个条目中,他引用了丹麦科学家、诗人海因(Piet Hein)的话[1]:

“我真想知道

这一整出戏

在它演出前

到底关于什么”

在他的帷幕落下之前,惠勒改变了我们对时间的理解,比他之前或自他以来的任何思想家都要彻底——这一改变是由对他弟弟的怀念所推动的,是由痛惜所推动的革命。

时间迷思

1905年,也就是惠勒出生的六年前,爱因斯坦提出了狭义相对论。他发现,对每个人来说,时间并不是在任何地方都以恒定的速度流逝;相反,它与观察者的运动有关。你移动得越快,时间流逝得越慢。如果你能移动得像光一样快,你就会看到时间停止并消失。

但在爱因斯坦的发现之后的几年里,量子力学的形式让物理学家们对时间得出了相反的结论。量子系统由被称为波函数的数学描述,波函数编码了在测量时系统处于任何给定状态的概率。波函数不是静止的,它在变化,随着时间演化。换句话说,时间是在量子系统之外定义的,它是一个外部时钟,时间一秒又一秒地走着,这是对爱因斯坦的直接挑战。

这就是惠勒在1930年代第一次进入物理学舞台时的情形——两种理论僵持着,关于时间的本质悬而未决。在普林斯顿大学开始他的学术生涯时,惠勒说话轻声细语,彬彬有礼,穿着熨得整齐的西装和领带。但在他保守的举止背后,隐藏着一种无畏激进的思想。惠勒在一个图书管理员的家庭长大,他是一个贪婪的读者。在与广义相对论和量子力学的棘手问题角力时,他不仅请教了爱因斯坦和玻尔,还参阅了亨利·詹姆斯[2]的小说和西班牙作家安东尼奥·马查多[3]的诗歌。旅行时,他总是在手提箱里拖着一本同义词词典。

惠勒第一次意识到时间并不是它看上去的那样,是1940年春天在普林斯顿大学的一个晚上。他当时正在思考正电子(positron)。正电子是电子的个性反面(alter egos)——反粒子:同样的质量,同样的自旋,等量相反的电荷。但为什么会有这样的反面个性存在呢?灵感袭来,惠勒给他的学生费曼(Richard Feynman)打了个电话说:“它们都是同一个粒子!”

惠勒说,想象一下,整个宇宙中只有孤身一个电子,在时空中蜿蜒而行,它走过的轨迹如此复杂,以至于虽是一个粒子却呈现出无数粒子的幻象,包括正电子在内。惠勒称,正电子只是一个在时间上逆行的电子(好脾气的费曼在1965年诺贝尔物理学奖的获奖感言中说,他从惠勒那里偷来了这个想法。)。

惠勒在1940年代参与曼哈顿计划后,急于回到普林斯顿大学从事理论物理。然而他的回程被推迟了。1950年,他仍然纠结于未能迅速采取行动营救他的弟弟,于是在洛斯阿拉莫斯与物理学家爱德华·特勒(Edward Teller)一起制造了一种比原子弹更致命的武器——氢弹。1952年11月1日,惠勒登上了距离太平洋艾鲁盖拉布岛(Elugelab)35英里的柯蒂斯号(S. S. Curtis)。他目睹了氢弹的引爆,其能量是摧毁广岛的那颗原子弹的700倍。试验结束后,艾鲁盖拉布岛也完蛋了。

在洛斯阿拉莫斯的工作完成后,惠勒“爱上了广义相对论和引力”。回到与爱因斯坦的家一街之隔的普林斯顿,他在黑板前讲授了关于这一主题的第一次课。广义相对论描述了质量如何将时空扭曲成奇怪的、我们称之为引力的几何。惠勒想知道这些几何能有多奇特。当他把这个理论推向其极限时,他被一个似乎颠覆了时间的东西迷住了。它被称为爱因斯坦-罗森桥(Einstein-Rosen bridge),它是一条开凿出宇宙捷径的隧道,连接着时空中相距遥远的点,从一头进去可以从另一头出来,于是人们可以以超光速或穿越时间的方式旅行。热爱语言的惠勒知道,可以通过给晦涩的数学起名来赋予它们生命;1957年,他给这种扭曲的时空部分起了个名字:虫洞(wormhole)。

存在的困惑:惠勒写道,“我敲故我在”[4] 丨图片来源:Corbis Images

当他在时空中进一步推进时,他邂逅了另一个引力反常,在那里质量如此稠密地堆积,引力变得无限强大,以致时空被无限破坏了。这次同样,他给它起了个名字:黑洞(black hole)。在这里,“时间”失去了一切意义,仿佛它起初根本就不存在。惠勒写道,“每个黑洞都带来了时间的终结。”

量子宇宙

上世纪60年代,越南战争撕裂了美国文化的结构,惠勒其时在努力修补广义相对论和量子力学之间的物理学裂缝——这个裂缝就是时间。1965年的一天,惠勒在北卡罗莱纳州转机时,请同事布莱斯·德维特(Bryce DeWitt)在机场陪他几小时。在候机大厅里,惠勒和德维特写出了波函数的方程,惠勒称其为爱因斯坦-薛定谔(Einstein-Schrödinger)方程,其他人后来称之为惠勒-德维特(Wheeler-DeWitt)方程。(德维特最后称其为“那个该死的等式”。)

惠勒和德维特的波函数描述的不是实验室中四处运动的粒子系统,而是整个宇宙。唯一的问题是把时间放在哪里。他们不能置之于宇宙之外,因为根据定义,宇宙至大无外。因此,尽管他们的方程成功地结合了相对论和量子理论的优点,但它同时描述了一个无法演化的宇宙——一个冻结的宇宙,困在一个永恒的瞬间。

惠勒对虫洞的研究已经表明,就像电子和正电子一样,我们也可能有能力弯曲和打破时间之箭。与此同时,他对黑洞物理学的研究使他在内心深处怀疑时间是不存在的。现在,在瑞利国际机场(Raleigh International Airport),这个该死的等式让惠勒产生了一种挥之不去的预感:时间不可能是现实的基本组成部分。正如爱因斯坦所说,这一定是一种顽固的幻觉,是我们被困在一个只有内部的宇宙中的结果。

惠勒确信,解开存在之谜以及时间之谜的中心线索是量子测量(quantum measurement)。他发现,量子理论深刻的奇异之处在于这样的事实:当一个观察者进行测量时,他测量的不是世界上已经存在的东西。相反,他的测量结果以某种方式将这一事实变成了现实——这个古怪的事实,除了被称为双缝的令人陶醉的实验一次又一次证明之外,任何心智正常的人都不会买账。它始终萦绕在惠勒的脑海。

在实验中,激光将单个光子发射到有两个平行狭缝的屏幕上,然后落在另一边的感光板上,在那里它们会留下一个光点。每个光子都有50%的几率通过任何一条缝,所以经过多次这样的实验后,你会在感光板上看到两个大的光斑,一个光斑表明通过狭缝A的光子堆积,另一个表明通过狭缝B的光子,但你没有看到。相反,你看到的是一系列黑白相间的条纹——干涉图案。惠勒写道:“观察这个正在进行的实际实验使量子行为变得生动起来。”“尽管它在概念上很简单,但它惊人地展现了量子理论令人费解的奇特之处。”

虽然听起来不太可能,但这种干涉图样只能说明一件事:每个光子同时通过两个狭缝。当光子射向屏幕时,它由量子波函数描述。到达屏幕时,波函数分成两部分。同一个光子的两个版本穿过每个狭缝,当它们出现在另一边时,它们的波函数会重新组合——只是现在它们的部分相位不一致。在波步调一致的地方,光被放大,在感光板上产生明亮条纹。在它们不同步的地方,光相互抵消,留下暗条纹。

然而,当你试图捕捉穿过狭缝的光子时,事情愈发奇怪了。在每个狭缝后面放置一个探测器,然后再进行一次实验,光子前后相继。一个光斑接着一个光斑,某种图案开始显现。它并非条纹。感光板上有两大团光斑,每个(光斑)对应一条狭缝。每个光子每次只走一条路径。好像它知道自己被监视了。

光子当然什么都不知道。但是通过选择系统的哪种属性去测量,我们确定了系统的状态。如果我们对于光子走哪条路径不加询问,那么它两条路径都经过。我们的设问创造了路径。

惠勒想知道,同样的想法能否扩大尺度。我们能否设问关于存在的起源,关于大爆炸和138亿年的宇宙历史,这能创造宇宙吗?“量子原理是巨大冰山的一角,是世界的脐带,”惠勒在1974年6月27日的日记中潦草地写道。“过去现在和未来的联系比我们意识到的要更紧密。”

惠勒在日记中画了一个大写的U字,代表“宇宙” (如下图),左边的顶端有一只巨大的眼睛,穿过字母的深渊,凝视着右端末梢:时间的起源。当你从右到左跟随U形的俯冲时,时间在前进,宇宙在成长。恒星形成,然后死亡,将碳的灰烬喷涌到宇宙的虚无中。在天空的某个角落,一些碳落在一颗岩态行星上,融合成一些原始黏液,生长,进化,直到……一只眼睛!宇宙创造了一个观察者,现在,通过量子测量,观察者回看并创造了宇宙。惠勒在这幅画下草草写了一个说明:“宇宙是一个自激系统(self-excited system)。”

惠勒的U字符:左边的顶端有一只巨大的眼睛,穿过字母的深渊,凝视着右边顶端——时间的起源。丨图片来自网络

惠勒知道,这幅画的问题在于,它与我们对时间最基本的理解相冲突。电子在时间中快速逆行,虫洞绕开了时间的箭头是一回事。关于创世和因果关系(causation)的讨论完全是另一回事。过去流向现在,然后现在回过头影响了过去?

惠勒在日记中写道:“无论付出多少代价,都必须解决这些问题。”“没有任何地方比这里更能让我努力履行我对人类的责任,对于活着的和死去的人,对于[妻子]珍妮特(Janette)和我的子孙;对于那夭折的孩子;对于乔……”他把《每日电讯报》(The Daily Telegraph)上的一份剪报粘在日记本上。标题是:“白天越来越短。”

延迟选择

1979年,惠勒在马里兰大学做了一场演讲,提出了一个大胆的新思想实验(thought experiment),这一实验后来成为他关于时间的思想最引人注目的应用:延迟选择(the delayed choice)实验。

惠勒意识到,在光子穿过屏幕之后,有可能设置通常的双缝实验(double slit experiment),使观察者可以决定他想看到的是条纹还是光斑——也就是说,他可以创造一点实在性——在光子已经通过双缝屏幕之后。在尽可能最后的时刻,他可以选择移除照相底板,露出两个小望远镜:一个指向左边的狭缝,另一个指向右边的。望远镜可以分辨出光子穿过了哪条狭缝。但如果观察者将底板留在原地,干涉图案就会形成。观察者的延迟选择决定了光子到底走了一条还是两条路径,而这是在光子可能已经走了一条或另一条路之后。

对惠勒来说,这不仅仅关乎好奇心,而是关乎宇宙存在的线索。这是他所需要的U型的机制,一种时间规则的弯曲(bending of the rules of time),它可能使宇宙——诞生于138亿年前一次大爆炸中的那个宇宙——由我们在当下创生。

惠勒说,要明白这一点,只需把延迟选择实验的尺度扩展。想象一下光从10亿光年之外的类星体向地球传播。一个巨大的星系位于类星体和地球之间,它的引力场像透镜一样改变了光的路径。光在星系周围弯曲,以相等的概率从左右绕行,出于思想实验的目的,设想每次只有一个光子到达地球。我们再次面临着类似的选择:我们可以在光到达点的中央放置一张照相底板,在那里干涉图案会逐渐出现,或者我们可以将望远镜对准星系的左边或右边,以观察光经过的路径。我们的选择决定了光子存在于两个互斥的历史中的某一个。就在此刻,我们自始至终决定着光子的(多条)路线——尽管事实上它的旅程始于10亿年前。

观众席中一位名叫卡罗尔·艾利(Carroll Alley)的物理学家正聚精会神地听着。艾利在普林斯顿已经认识惠勒,他曾师从物理学家罗伯特·亨利·迪克(Robert Henry Dicke),迪克的研究小组提出了在月球上安装镜子的想法。

迪克和他的团队对通过观察地月之间微妙的引力相互作用来研究广义相对论很感兴趣,这需要非常精确地测量月球沿轨道运动时地月间的距离。他们意识到,如果可以将镜子安装在月球表面,就可以将激光反射回来,并计算光的回程时间。艾利成为NASA项目的首席研究员,并在月球上装了三面镜子:第一面镜子是1969年由尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)安置的。

当艾利听着惠勒的演讲时,他突然意识到也许可以利用测量月球反射激光相同的技术,在实验室里实现惠勒的构想。从月球上的镜子返回的光信号非常微弱,艾利和他的团队开发了复杂的方法来测量单个光子,这正是惠勒延迟选择设置所要求的。

1984年,艾利和当时也坐在观众席的雅库波维奇(Oleg Jakubowicz)以及维克斯(William Wickes)一起最终完成了实验。正如惠勒所想象的那样:当下的测量可以创造过去。我们曾经以为的时间并不存在;过去并不会在未来之前不可磨灭。惠勒发现,历史——那种酝酿内疚的历史,那种潜伏在掩体里的历史——居然不可能一成不变。

尽管如此,惠勒还是没有找到基本的洞察。他知道,量子测量可以让现在的观察者创造过去,让宇宙靠自举(bootstrap)自我提升为存在。但量子测量是如何做到的呢?如果时间不属于原始的范畴,为什么它永不停息?惠勒的日记变成了一张明信片,一遍又一遍地写给自己。快点。存在的谜题讥讽着他。“如果我不继续攻克那个难题,我就不是‘我’,”他写道。“一旦停下来,我就会变成一个萎缩的老人。继续下去,我才神采奕奕。”

1988年,惠勒的健康状况开始不稳定;他在两年前已经接受了心脏手术。医生现在给了他一个大限。医生告诉他,他有望再活三到五年。在死亡的威胁下,惠勒变得沮丧起来,担心自己不能及时解开存在之谜,以弥补他自己在营救弟弟上的失败。在“道歉”的标题下,他在日记中写道:“要发展这些想法需要多年的工作。我——76岁了——还没得到它们。”

幸运的是,就像之前的科学家一样,医生们把时间的本质搞错了。惠勒的眼中依然闪烁着光芒,他孜孜不倦地研究量子力学的奥秘和奇怪的时间循环。“在量子的荣耀背后是——羞愧,”他在1999年6月11日写道。“为什么羞愧?因为我们仍然不明白量子从何而来。量子是自我创造的宇宙的信号吗?” 同年晚些时候,他写道:“存在何为?量子何来?死亡是对提出这种问题的惩罚吗……”

尽管惠勒的日记揭示了一个奋力孤独求索的人,但他的影响是广泛的。后来,斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和他在比利时鲁汶大学理论物理研究所的合作者托马斯·赫托格(Thomas Hertog)一直在发展一种被称为自上而下(top-down)宇宙学的方法,这是惠勒延迟选择的直系后代。霍金和赫托格认为,就像来自遥远类星体的光子在无人观察的情况下同时走多条路径一样,宇宙也有多种历史。就像观测者可以通过测量来确定光子数十亿年前的历史一样,只有当观测者进行测量时,宇宙的历史才会变成现实。通过将量子力学定律应用于整个宇宙,霍金举起了惠勒那天在北卡罗莱纳机场点燃的火炬,挑战我们在这个过程中对时间的每一种直觉。自上而下的方法“导致了一种截然不同的宇宙观,”霍金写道,“以及因果关系”。这正是惠勒画龙“点睛”时——他自己创造的宇宙——一直所追求的。

2003年,惠勒还在追寻存在的意义。“就我所能想象的而言,我不可能如此合理地谈论‘存在是怎么来的’!他在日记中写道。“剩下的时间不多了!”

2008年4月13日,在新泽西州的海茨城(Hightstown),96岁的惠勒终于在与时间——那顽固而持久的幻觉——的赛跑中落败。

注释

[1] 原文:“I’d like to know/what this whole show/is all about/before it’s out.”

[2] 亨利·詹姆斯(Henry James,1843-1916):英籍美裔小说家、文学批评家、剧作家和散文家。

[3] 安东尼奥·马查多(Antonio Machado, 1875-1939):西班牙著名诗人。

[4] 译注:此句原文为“I am not ‘I’ unless I continue to hammer at that nut”,字面意为“除非我不断地敲那个坚果,否则我就不是‘我’了。”

本文插图源自:WESLEY ALLSBROOK

本文原标题为:Haunted by His Brother, He Revolutionized Physics,(
https://nautil.us/haunted-by-his-brother-he-revolutionized-physics-234736)

本文作者Amanda Gefter是惠勒之女。她在2014年出版了《闯入爱因斯坦的草坪》(Trespassing on Einstein's Lawn: A Father, a Daughter, the Meaning of Nothing, and the Beginning of Everything)——一本关于她的父亲约翰·惠勒的回忆录。

评论
传承解惑
少师级
惠勒在观察这个正在进行的实际实验使量子行为变得生动起来,惊人地展现了量子理论令人费解的奇特之处。
2023-01-18
大伟⛹🏻‍♂️
少傅级
惠勒是一个奋力孤独求索的人,但他的影响是广泛的,把黑洞从一个纯粹的数学概念带进了现实世界,是一个纯粹的基础理论开创者和天体物理学家。
2023-01-18
华科普
太师级
虽然惠勒在与时间的赛跑中落败,但其执着的科学精神是值得肯定的!
2023-01-18