在與時間的斗爭中，他改變了物理學

本文來自微信公眾號：返樸 （ID：fanpu2019），作者：AMANDA GEFTER

明信片上只有兩個字：“快點?！?/p>

當 33 歲的物理學家惠勒收到他弟弟喬 (Joe) 寄來的明信片時，他正在華盛頓州漢福德（Hanford）的核反應堆工作，這里負責向洛斯阿拉莫斯輸送钚。那是 1944 年夏末。喬在第二次世界大戰(zhàn)的意大利前線作戰(zhàn)。他很清楚他哥哥打算干什么。他知道五年前，惠勒和丹麥物理學家玻爾一起解決了核裂變的物理問題，不穩(wěn)定同位素的元素如鈾，或者將會很快被發(fā)現(xiàn)的钚，在中子的轟擊下，發(fā)生裂變，釋放出難以想象的原子能 —— 足以夷平一座城市，結(jié)束一場戰(zhàn)爭。

明信片寄來后，惠勒以最快的速度工作，曼哈頓計劃（Manhattan Project）在第二年夏天完成了原子彈的制造。在新墨西哥州的喬納達德爾穆埃托（Jornada del Muerto）沙漠，物理學家引爆了人類歷史上的第一次核爆，將 1000 英尺厚的沙子變成了玻璃。該項目的負責人奧本海默（J. Robert Oppenheimer）在 10 英里外的安全大本營觀看，他默默地引用印度教經(jīng)文《薄伽梵歌》（Bhagavad Gita）：“現(xiàn)在我成了死神，世界的毀滅者?！痹跐h福德，惠勒卻想著另外的事：希望我沒有太晚。他還不知道在佛羅倫薩附近的山腰上，喬已橫尸在掩體里。

當惠勒得知這個消息時，他崩潰了。他在回憶錄中自責道：“人們無法逃避這樣的結(jié)論，如果原子彈計劃早一年開始，早一年結(jié)束，就能挽救 1500 萬人的生命，我弟弟喬就是其中之一。如果我試過，我可能會影響決策者?！?/p>

時間。作為一名物理學家，惠勒一直好奇地想解開那個神秘維度的本質(zhì)。但現(xiàn)在，隨著喬的去世，這變成了私事。

惠勒的余生也許一直都在與時間作斗爭。他的日記總是放在手邊（如今藏于費城的美國哲學學會圖書館的檔案中，未出版），日記中揭示了一個癡迷的思想者令人驚嘆的肖像，時刻意識到自己即將死亡，陷入與時間的賽跑中，不是為了回答 某個問題，而是為了回答：“為什么會存在？”

惠勒寫道：“在徹底洞察存在的所有障礙中，沒有比‘時間’更令人沮喪的了。”“解釋時間？除非解釋存在。解釋存在？不解釋時間就不行?！?/p>

時光荏苒，惠勒日記中關于時間的條目越來越頻繁和緊迫，行文也越來越不穩(wěn)定。在一個條目中，他引用了丹麥科學家、詩人海因（Piet Hein）的話 [1]：

“我真想知道

這一整出戲

在它演出前

到底關于什么”

在他的帷幕落下之前，惠勒改變了我們對時間的理解，比他之前或自他以來的任何思想家都要徹底 —— 這一改變是由對他弟弟的懷念所推動的，是由痛惜所推動的革命。

時間迷思

1905 年，也就是惠勒出生的六年前，愛因斯坦提出了狹義相對論。他發(fā)現(xiàn)，對每個人來說，時間并不是在任何地方都以恒定的速度流逝；相反，它與觀察者的運動有關。你移動得越快，時間流逝得越慢。如果你能移動得像光一樣快，你就會看到時間停止并消失。

但在愛因斯坦的發(fā)現(xiàn)之后的幾年里，量子力學的形式讓物理學家們對時間得出了相反的結(jié)論。量子系統(tǒng)由被稱為波函數(shù)的數(shù)學描述，波函數(shù)編碼了在測量時系統(tǒng)處于任何給定狀態(tài)的概率。波函數(shù)不是靜止的，它在變化，隨著時間演化。換句話說，時間是在量子系統(tǒng)之外定義的，它是一個外部時鐘，時間一秒又一秒地走著，這是對愛因斯坦的直接挑戰(zhàn)。

這就是惠勒在 1930 年代第一次進入物理學舞臺時的情形 —— 兩種理論僵持著，關于時間的本質(zhì)懸而未決。在普林斯頓大學開始他的學術生涯時，惠勒說話輕聲細語，彬彬有禮，穿著熨得整齊的西裝和領帶。但在他保守的舉止背后，隱藏著一種無畏激進的思想?；堇赵谝粋€圖書管理員的家庭長大，他是一個貪婪的讀者。在與廣義相對論和量子力學的棘手問題角力時，他不僅請教了愛因斯坦和玻爾，還參閱了亨利?詹姆斯 [2] 的小說和西班牙作家安東尼奧?馬查多 [3] 的詩歌。旅行時，他總是在手提箱里拖著一本同義詞詞典。

惠勒第一次意識到時間并不是它看上去的那樣，是 1940 年春天在普林斯頓大學的一個晚上。他當時正在思考正電子（positron）。正電子是電子的個性反面（alter egos）—— 反粒子：同樣的質(zhì)量，同樣的自旋，等量相反的電荷。但為什么會有這樣的反面?zhèn)€性存在呢？靈感襲來，惠勒給他的學生費曼（Richard Feynman）打了個電話說：“它們都是同一個粒子！”

惠勒說，想象一下，整個宇宙中只有孤身一個電子，在時空中蜿蜒而行，它走過的軌跡如此復雜，以至于雖是一個粒子卻呈現(xiàn)出無數(shù)粒子的幻象，包括正電子在內(nèi)。惠勒稱，正電子只是一個在時間上逆行的電子（好脾氣的費曼在 1965 年諾貝爾物理學獎的獲獎感言中說，他從惠勒那里偷來了這個想法。）。

惠勒在 1940 年代參與曼哈頓計劃后，急于回到普林斯頓大學從事理論物理。然而他的回程被推遲了。1950 年，他仍然糾結(jié)于未能迅速采取行動營救他的弟弟，于是在洛斯阿拉莫斯與物理學家愛德華?特勒（Edward Teller）一起制造了一種比原子彈更致命的武器 —— 氫彈。1952 年 11 月 1 日，惠勒登上了距離太平洋艾魯蓋拉布島（Elugelab）35 英里的柯蒂斯號（S. S. Curtis）。他目睹了氫彈的引爆，其能量是摧毀廣島的那顆原子彈的 700 倍。試驗結(jié)束后，艾魯蓋拉布島也完蛋了。

在洛斯阿拉莫斯的工作完成后，惠勒“愛上了廣義相對論和引力”?；氐脚c愛因斯坦的家一街之隔的普林斯頓，他在黑板前講授了關于這一主題的第一次課。廣義相對論描述了質(zhì)量如何將時空扭曲成奇怪的、我們稱之為引力的幾何?；堇障胫肋@些幾何能有多奇特。當他把這個理論推向其極限時，他被一個似乎顛覆了時間的東西迷住了。它被稱為愛因斯坦-羅森橋（Einstein-Rosen bridge），它是一條開鑿出宇宙捷徑的隧道，連接著時空中相距遙遠的點，從一頭進去可以從另一頭出來，于是人們可以以超光速或穿越時間的方式旅行。熱愛語言的惠勒知道，可以通過給晦澀的數(shù)學起名來賦予它們生命；1957 年，他給這種扭曲的時空部分起了個名字：蟲洞（wormhole）。

當他在時空中進一步推進時，他邂逅了另一個引力反常，在那里質(zhì)量如此稠密地堆積，引力變得無限強大，以致時空被無限破壞了。這次同樣，他給它起了個名字：黑洞（black hole）。在這里，“時間”失去了一切意義，仿佛它起初根本就不存在?；堇諏懙溃懊總€黑洞都帶來了時間的終結(jié)。”

量子宇宙

上世紀 60 年代，越南戰(zhàn)爭撕裂了美國文化的結(jié)構(gòu)，惠勒其時在努力修補廣義相對論和量子力學之間的物理學裂縫 —— 這個裂縫就是時間。1965 年的一天，惠勒在北卡羅萊納州轉(zhuǎn)機時，請同事布萊斯?德維特（Bryce DeWitt）在機場陪他幾小時。在候機大廳里，惠勒和德維特寫出了波函數(shù)的方程，惠勒稱其為愛因斯坦-薛定諤（Einstein-Schr?dinger）方程，其他人后來稱之為惠勒-德維特（Wheeler-DeWitt）方程。(德維特最后稱其為“那個該死的等式”。)

惠勒和德維特的波函數(shù)描述的不是實驗室中四處運動的粒子系統(tǒng)，而是整個宇宙。唯一的問題是把時間放在哪里。他們不能置之于宇宙之外，因為根據(jù)定義，宇宙至大無外。因此，盡管他們的方程成功地結(jié)合了相對論和量子理論的優(yōu)點，但它同時描述了一個無法演化的宇宙 —— 一個凍結(jié)的宇宙，困在一個永恒的瞬間。

惠勒對蟲洞的研究已經(jīng)表明，就像電子和正電子一樣，我們也可能有能力彎曲和打破時間之箭。與此同時，他對黑洞物理學的研究使他在內(nèi)心深處懷疑時間是不存在的?，F(xiàn)在，在瑞利國際機場（Raleigh International Airport），這個該死的等式讓惠勒產(chǎn)生了一種揮之不去的預感：時間不可能是現(xiàn)實的基本組成部分。正如愛因斯坦所說，這一定是一種頑固的幻覺，是我們被困在一個只有內(nèi)部的宇宙中的結(jié)果。

惠勒確信，解開存在之謎以及時間之謎的中心線索是量子測量（quantum measurement）。他發(fā)現(xiàn)，量子理論深刻的奇異之處在于這樣的事實：當一個觀察者進行測量時，他測量的不是世界上已經(jīng)存在的東西。相反，他的測量結(jié)果以某種方式將這一事實變成了現(xiàn)實 —— 這個古怪的事實，除了被稱為雙縫的令人陶醉的實驗一次又一次證明之外，任何心智正常的人都不會買賬。它始終縈繞在惠勒的腦海。

在實驗中，激光將單個光子發(fā)射到有兩個平行狹縫的屏幕上，然后落在另一邊的感光板上，在那里它們會留下一個光點。每個光子都有 50% 的幾率通過任何一條縫，所以經(jīng)過多次這樣的實驗后，你會在感光板上看到兩個大的光斑，一個光斑表明通過狹縫 A 的光子堆積，另一個表明通過狹縫 B 的光子，但你沒有看到。相反，你看到的是一系列黑白相間的條紋 —— 干涉圖案?；堇諏懙溃骸坝^察這個正在進行的實際實驗使量子行為變得生動起來?！薄氨M管它在概念上很簡單，但它驚人地展現(xiàn)了量子理論令人費解的奇特之處。”

雖然聽起來不太可能，但這種干涉圖樣只能說明一件事：每個光子同時通過兩個狹縫。當光子射向屏幕時，它由量子波函數(shù)描述。到達屏幕時，波函數(shù)分成兩部分。同一個光子的兩個版本穿過每個狹縫，當它們出現(xiàn)在另一邊時，它們的波函數(shù)會重新組合 —— 只是現(xiàn)在它們的部分相位不一致。在波步調(diào)一致的地方，光被放大，在感光板上產(chǎn)生明亮條紋。在它們不同步的地方，光相互抵消，留下暗條紋。

然而，當你試圖捕捉穿過狹縫的光子時，事情愈發(fā)奇怪了。在每個狹縫后面放置一個探測器，然后再進行一次實驗，光子前后相繼。一個光斑接著一個光斑，某種圖案開始顯現(xiàn)。它并非條紋。感光板上有兩大團光斑，每個（光斑）對應一條狹縫。每個光子每次只走一條路徑。好像它知道自己被監(jiān)視了。

光子當然什么都不知道。但是通過選擇系統(tǒng)的哪種屬性去測量，我們確定了系統(tǒng)的狀態(tài)。如果我們對于光子走哪條路徑不加詢問，那么它兩條路徑都經(jīng)過。我們的設問創(chuàng)造了路徑。

惠勒想知道，同樣的想法能否擴大尺度。我們能否設問關于存在的起源，關于大爆炸和 138 億年的宇宙歷史，這能創(chuàng)造宇宙嗎?“量子原理是巨大冰山的一角，是世界的臍帶，”惠勒在 1974 年 6 月 27 日的日記中潦草地寫道?！斑^去現(xiàn)在和未來的聯(lián)系比我們意識到的要更緊密?！?/p>

惠勒在日記中畫了一個大寫的 U 字，代表“宇宙” (如下圖)，左邊的頂端有一只巨大的眼睛，穿過字母的深淵，凝視著右端末梢：時間的起源。當你從右到左跟隨 U 形的俯沖時，時間在前進，宇宙在成長。恒星形成，然后死亡，將碳的灰燼噴涌到宇宙的虛無中。在天空的某個角落，一些碳落在一顆巖態(tài)行星上，融合成一些原始黏液，生長，進化，直到…… 一只眼睛！宇宙創(chuàng)造了一個觀察者，現(xiàn)在，通過量子測量，觀察者回看并創(chuàng)造了宇宙。惠勒在這幅畫下草草寫了一個說明：“宇宙是一個自激系統(tǒng)（self-excited system）。”

惠勒知道，這幅畫的問題在于，它與我們對時間最基本的理解相沖突。電子在時間中快速逆行，蟲洞繞開了時間的箭頭是一回事。關于創(chuàng)世和因果關系（causation）的討論完全是另一回事。過去流向現(xiàn)在，然后現(xiàn)在回過頭影響了過去？

惠勒在日記中寫道：“無論付出多少代價，都必須解決這些問題?！薄皼]有任何地方比這里更能讓我努力履行我對人類的責任，對于活著的和死去的人，對于 [妻子] 珍妮特（Janette）和我的子孫；對于那夭折的孩子；對于喬……”他把《每日電訊報》（The Daily Telegraph）上的一份剪報粘在日記本上。標題是:“白天越來越短?！?/p>

延遲選擇

1979 年，惠勒在馬里蘭大學做了一場演講，提出了一個大膽的新思想實驗（thought experiment），這一實驗后來成為他關于時間的思想最引人注目的應用：延遲選擇（the delayed choice）實驗。

惠勒意識到，在光子穿過屏幕之后，有可能設置通常的雙縫實驗（double slit experiment），使觀察者可以決定他想看到的是條紋還是光斑 —— 也就是說，他可以創(chuàng)造一點實在性 —— 在光子已經(jīng)通過雙縫屏幕之后。在盡可能最后的時刻，他可以選擇移除照相底板，露出兩個小望遠鏡：一個指向左邊的狹縫，另一個指向右邊的。望遠鏡可以分辨出光子穿過了哪條狹縫。但如果觀察者將底板留在原地，干涉圖案就會形成。觀察者的延遲選擇決定了光子到底走了一條還是兩條路徑，而這是在光子可能已經(jīng)走了一條或另一條路之后。

對惠勒來說，這不僅僅關乎好奇心，而是關乎宇宙存在的線索。這是他所需要的 U 型的機制，一種時間規(guī)則的彎曲（bending of the rules of time），它可能使宇宙 —— 誕生于 138 億年前一次大爆炸中的那個宇宙 —— 由我們在當下創(chuàng)生。

惠勒說，要明白這一點，只需把延遲選擇實驗的尺度擴展。想象一下光從 10 億光年之外的類星體向地球傳播。一個巨大的星系位于類星體和地球之間，它的引力場像透鏡一樣改變了光的路徑。光在星系周圍彎曲，以相等的概率從左右繞行，出于思想實驗的目的，設想每次只有一個光子到達地球。我們再次面臨著類似的選擇：我們可以在光到達點的中央放置一張照相底板，在那里干涉圖案會逐漸出現(xiàn)，或者我們可以將望遠鏡對準星系的左邊或右邊，以觀察光經(jīng)過的路徑。我們的選擇決定了光子存在于兩個互斥的歷史中的某一個。就在此刻，我們自始至終決定著光子的（多條）路線 —— 盡管事實上它的旅程始于 10 億年前。

觀眾席中一位名叫卡羅爾?艾利（Carroll Alley）的物理學家正聚精會神地聽著。艾利在普林斯頓已經(jīng)認識惠勒，他曾師從物理學家羅伯特?亨利?迪克（Robert Henry Dicke），迪克的研究小組提出了在月球上安裝鏡子的想法。

迪克和他的團隊對通過觀察地月之間微妙的引力相互作用來研究廣義相對論很感興趣，這需要非常精確地測量月球沿軌道運動時地月間的距離。他們意識到，如果可以將鏡子安裝在月球表面，就可以將激光反射回來，并計算光的回程時間。艾利成為 NASA 項目的首席研究員，并在月球上裝了三面鏡子：第一面鏡子是 1969 年由尼爾?阿姆斯特朗（Neil Armstrong）安置的。

當艾利聽著惠勒的演講時，他突然意識到也許可以利用測量月球反射激光相同的技術，在實驗室里實現(xiàn)惠勒的構(gòu)想。從月球上的鏡子返回的光信號非常微弱，艾利和他的團隊開發(fā)了復雜的方法來測量單個光子，這正是惠勒延遲選擇設置所要求的。

1984 年，艾利和當時也坐在觀眾席的雅庫波維奇（Oleg Jakubowicz）以及維克斯（William Wickes）一起最終完成了實驗。正如惠勒所想象的那樣：當下的測量可以創(chuàng)造過去。我們曾經(jīng)以為的時間并不存在；過去并不會在未來之前不可磨滅?；堇瞻l(fā)現(xiàn)，歷史 —— 那種醞釀內(nèi)疚的歷史，那種潛伏在掩體里的歷史 —— 居然不可能一成不變。

盡管如此，惠勒還是沒有找到基本的洞察。他知道，量子測量可以讓現(xiàn)在的觀察者創(chuàng)造過去，讓宇宙靠自舉（bootstrap）自我提升為存在。但量子測量是如何做到的呢？如果時間不屬于原始的范疇，為什么它永不停息？惠勒的日記變成了一張明信片，一遍又一遍地寫給自己?？禳c。存在的謎題譏諷著他?！叭绻也焕^續(xù)攻克那個難題，我就不是‘我’，”他寫道。“一旦停下來，我就會變成一個萎縮的老人。繼續(xù)下去，我才神采奕奕。”

1988 年，惠勒的健康狀況開始不穩(wěn)定；他在兩年前已經(jīng)接受了心臟手術。醫(yī)生現(xiàn)在給了他一個大限。醫(yī)生告訴他，他有望再活三到五年。在死亡的威脅下，惠勒變得沮喪起來，擔心自己不能及時解開存在之謎，以彌補他自己在營救弟弟上的失敗。在“道歉”的標題下，他在日記中寫道：“要發(fā)展這些想法需要多年的工作。我 ——76 歲了 —— 還沒得到它們?！?/p>

幸運的是，就像之前的科學家一樣，醫(yī)生們把時間的本質(zhì)搞錯了?；堇盏难壑幸廊婚W爍著光芒，他孜孜不倦地研究量子力學的奧秘和奇怪的時間循環(huán)。“在量子的榮耀背后是 —— 羞愧，”他在 1999 年 6 月 11 日寫道。“為什么羞愧？因為我們?nèi)匀徊幻靼琢孔訌暮味鴣怼Ａ孔邮亲晕覄?chuàng)造的宇宙的信號嗎？” 同年晚些時候，他寫道：“存在何為？量子何來？死亡是對提出這種問題的懲罰嗎……”

盡管惠勒的日記揭示了一個奮力孤獨求索的人，但他的影響是廣泛的。后來，斯蒂芬?霍金（Stephen Hawking）和他在比利時魯汶大學理論物理研究所的合作者托馬斯?赫托格（Thomas Hertog）一直在發(fā)展一種被稱為自上而下（top-down）宇宙學的方法，這是惠勒延遲選擇的直系后代。霍金和赫托格認為，就像來自遙遠類星體的光子在無人觀察的情況下同時走多條路徑一樣，宇宙也有多種歷史。就像觀測者可以通過測量來確定光子數(shù)十億年前的歷史一樣，只有當觀測者進行測量時，宇宙的歷史才會變成現(xiàn)實。通過將量子力學定律應用于整個宇宙，霍金舉起了惠勒那天在北卡羅萊納機場點燃的火炬，挑戰(zhàn)我們在這個過程中對時間的每一種直覺。自上而下的方法“導致了一種截然不同的宇宙觀，”霍金寫道，“以及因果關系”。這正是惠勒畫龍“點睛”時 —— 他自己創(chuàng)造的宇宙 —— 一直所追求的。

2003 年，惠勒還在追尋存在的意義?！熬臀宜芟胂蟮亩裕也豢赡苋绱撕侠淼卣務摗嬖谑窃趺磥淼摹?！他在日記中寫道?！笆Ｏ碌臅r間不多了！”

2008 年 4 月 13 日，在新澤西州的海茨城（Hightstown），96 歲的惠勒終于在與時間 —— 那頑固而持久的幻覺 —— 的賽跑中落敗。

• 注釋

• [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）：英籍美裔小說家、文學批評家、劇作家和散文家。

• [3] 安東尼奧?馬查多（Antonio Machado, 1875-1939）：西班牙著名詩人。

• [4] 譯注：此句原文為“I am not ‘I’ unless I continue to hammer at that nut”，字面意為“除非我不斷地敲那個堅果，否則我就不是‘我’了。”

本文插圖源自：WESLEY ALLSBROOK

本文原標題為：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《闖入愛因斯坦的草坪》（Trespassing on Einstein's Lawn: A Father, a Daughter, the Meaning of Nothing, and the Beginning of Everything）—— 一本關于她的父親約翰?惠勒的回憶錄。

廣告聲明：文內(nèi)含有的對外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。