約翰·惠勒：一個世紀的隱喻工作者(組圖)

　　來源：名牌雜誌

　　命名黑洞者約翰·惠勒去世

　　一個世紀的隱喻工作者

　　對於現代物理來說，風雲詭譎、波瀾壯闊的20世紀真正結束於2008年4月13日。這一天，親眼見證了哥本哈根辯論的最後一位在世牛人約翰·阿奇博爾德·惠勒（John Archibald Wheeler）也撒手而去了，倘若宇宙的某個角落或者索性另外一個宇宙中，愛因斯坦和玻爾正翹首企盼著這個後生小輩到來，我想他們的歡迎辭早就呼之欲出了：嗨，約翰，聽說那邊這些年在折騰一個什麼十一維的弦論，你給我們講講。

　　只見惠勒小心翼翼從褲袋裡掏出一根軟皮管來，在引力場中用力甩了一甩：我知道你們一定會問的，所以，我早就準備好了！

　　文|小庄

　　這個以瑰麗想像著稱的物理學思想家，向來是個能用最簡潔方式詮釋抽象理論的一把好手。他在跨越了好幾個重要時代的職業生涯中靈感不斷，創造了不少諸如「大煙龍」之類的精彩譬喻。

　　1927年索爾維會議上，愛因斯坦和玻爾之間曾發生了一次著名討論，愛因斯坦毫不掩飾自己對於剛剛冒出來的量子力學思想的懷疑，他認為粒子是以確定樣式在時空中演化的局部實體，確定的物體和可測的數量不會在濃重的空氣中消失，只不過我們還不能精確地知道它們是什麼，而玻爾駁斥說這個觀點過於從邏輯上考慮問題，不確定性是避免不了的，並非說我們無法得到精確的測定值，而是我們將永遠也無法移除對於它們的不確定性。歷史給出的判決是玻爾成為了最終獲勝者，他的哲學體系作為「哥本哈根闡釋」而聞名於世。而他的得意門生惠勒，後來就把「哥本哈根闡釋」描述為「大煙龍」。這是一個能夠抵禦任何針對它的屠殺企圖的怪獸——有一個可見的頭和一條可見的尾巴，但是看不到中間部分，在我們眼中，那裡只不過瀰漫著一團擾亂視線的煙霧。

　　而比「大煙龍」更為重要也更為人所知的一個貢獻，是他命名了「黑洞」。4月14日，《紐約時報》向世人報道其去世的消息時，文章標題即為「命名黑洞的物理學家，逝於96歲」。

　　玻爾，愛因斯坦，核武器

　　約翰·惠勒，1911年7月9日出生於佛羅里達東北部港口城市傑克遜維爾的一個普通家庭，是家中最大的孩子，21歲從約翰·霍普金斯大學獲得了博士學位，論文的內容是氦的散射與吸收原理。很快地，在與未婚妻珍妮特·黑格納訂婚後第3天，他就被送往哥本哈根，師從尼爾斯·玻爾。這位量子力學教父對弟子的影響之大，不僅僅限於學術和研究方面，更有關於人生態度，1985年美國物理學會的玻爾百年紀念會上，惠勒在講話中提到一個玻爾曾經講述給自己的佛祖的故事，然後不無深情地說：「玻爾本人對於人類問題的深刻理解，以及他對於身邊那些人的強大影響，使我們相信，像耶穌、老子、孔夫子和佛祖這樣的人，真的活著。」

　　1939年，惠勒隨同恩師離開丹麥回到美國。在納粹德國科學家已經成功地分裂了鈾原子的幾個星期後，他和玻爾一起作出了一個對核物理影響深遠的貢獻：核裂變的水滴模型。這個模型可以很好地解釋鈾核的分裂。

　　玻爾此行主要目的是和愛因斯坦一起討論量子原理，但據惠勒回憶，「他和我交談的時間比起和愛因斯坦要來得多」。從此，惠勒即開始了他的普林斯頓生涯，在那個年代，普林斯頓大學就是物理學的麥加聖地，因為它的高級研究院里彙集了愛因斯坦、約翰·馮·諾伊曼和哥德爾這樣一批大人物。惠勒漸漸也和愛因斯坦混得很熟，經常在愛因斯坦家中和他手下的一批學生開研討會。

　　「二戰」開始後，惠勒和其他許多科學家一起參加了奧本海默領銜的「曼哈頓工程」。因為他能力出眾，不久就擔任了杜邦（杜邦公司當時無償協助核計劃，為大型核反應堆和鈈生產設施建設提供技術服務，並且只收取了美國政府象徵性的1美元報酬）科學顧問這一角色，並著手解決一個令眾人困惑不已的難題——隨著反應堆中的鈾238衰變為鈈，鏈式反應會突然中止，但是過一段時間又會重新開始，被稱為反應「中毒」。

　　惠勒沒花多少時間就揭示出了其中奧妙：核反應的副產物之一——氙的一種同位素氙135——對中子有很強的吸收能力，其數量聚集過多就會導致沒有足夠的中子去轟擊鈾核，出現「中毒」現象，但隨著氙135不斷衰變，吸收的中子數也持續下降，經過一段時間後，鏈式反應又將重新開始。這是「曼哈頓工程」中最有價值的發現之一。

　　對於惠勒來說，巨大的悲痛和遺憾在於原子彈未能更早被造出來用以阻止納粹發動的戰爭，1944年他的弟弟喬死在了義大利戰場。戰後他仍然參與到了一些政府職務，和「氫彈之父」愛德華·特勒一起工作了好幾年，此外還有導彈防禦計劃。這些事以他那些站在自由主義立場的同行看來，是不值得稱道的。

　　相對論黃金時代，黑洞，定律失效

　　1952年，惠勒被普林斯頓委派以講授相對論的教職。這在當時被認為是一門不適合在課堂中教給學生的課程，由於缺乏實驗的支持，幾乎面臨末路。然而惠勒卻以自己對該理論的深刻理解影響了一批學生，「他使相對論重新煥發了青春，使它成為實驗對象，不再拘泥於數學公式裹足不前。」高級研究學院的理論物理學家弗里曼·戴森如是評價。

　　在惠勒領軍之下，普林斯頓自此成為全美研究愛因斯坦相對論的中心。其間，和相對論有關的一個重要問題重新引起了惠勒的注意。事由還要回溯到1939年，奧本海默與其學生哈特蘭德·斯奈德在《物理評論》上發表了一篇文章，指出愛因斯坦方程揭示出只要一個星體有足夠大的質量，就能夠坍塌到極大密度，以至於其產生的引力讓光線也無法逸出，在中心區域，空間將會無限彎曲。惠勒最初不認同這個結論，1958年在比利時的一次研討會上，他和奧本海默發生了辯論。

　　惠勒的觀點是，坍塌理論對於這個星體上的物質的最終命運「沒有給出一個可接受的理由」，他認為物理學絕對不會導致一個違背自己的情況出現——在奇點，所有的物理定律將不再適用。然而後來他終於改變了這個看法，認同無限坍塌是不可避免的，在其1999年出版的自傳《真子、黑洞和量子泡沫：物理生涯》中，惠勒寫道：「黑洞」告訴我們空間可以像一張紙一樣被揉起直至捏成一個點，而時間則會像一個吹爆的氣球那樣消失；所有被我們尊為神聖的物理定律好像是不變的，其實不然。

　　1967年，在NASA「戈達德空間研究學院」的一次講話中，惠勒第一次提出將上述天體稱為「黑洞」，此名一出，原來的「凍星」、「坍塌星」等名字馬上被人拋諸腦後。霍金對此的評價是「一項天才之舉」。

　　沒有什麼的什麼，雲，延遲選擇

　　惠勒後期的工作，越來越多地涉及到了哲學方法論層面，比如他主張將理論儘快推到極限，使它出錯，導致實在的裂縫，黑洞就是一個絕好的例子。不過，他本人最為得意的命名卻不是黑洞，而是另一項來自於極限的妙想：真子。

　　真子，Geon，g指引力gravity，e指電磁力electronmagnetism，on是代表粒子的後綴。這是惠勒設想出來的一個碩大光子，如果把它放到太陽的位置，會讓經過的光線產生彎曲。有趣的是，光線本身不會知道讓自己彎曲的是真實的質量還是沒有質量的光子。經過計算，一個最小的純經典真子具有炸麵包圈的拓撲結構，其尺度相當於一個太陽，質量則達到一億個太陽的量級，這種質量並不是真的質量，卻是「沒有質量的質量」（mass without mass）。「沒有什麼的什麼」是惠勒自己十分推崇的想法，後來又拿來創造了「沒有電荷的電荷」一說。上世紀80年代他曾受邀訪問中國，觀看京劇《鳳鳴岐山》。劇中姜子牙揮的旗上有個「無」字，陪同人員解釋是nothing，惠勒立即說這和「沒有什麼的什麼」簡直有異曲同工之妙。

　　惠勒曾經和朋友們玩「20問」的遊戲，這個遊戲的基本規則如下：遊戲一方選定一樣事物寫下來，而另一方在不知道他寫了什麼的情況下，可以提出20個以內的問題，但提問者能得到的答案只有是或不是，最終根據這些是或不是猜出這個詞。輪到惠勒猜的時候，他的對面有15個人，這些人一起商定了一個事物作為謎底。「是動物嗎？」「不是。」「是礦物嗎？」「不是。」「是綠色的嗎？」「不是。」「是白色的嗎？」「不是。」令惠勒感到奇怪的是，問題越問到後來，15個人給出答案的速度越慢，有時候需要討論良久。最後當他胸有成竹說出「是雲嗎」，其餘人集體答道「是」，爆出一陣哄堂大笑。

　　這位聰明絕頂的物理學家被告知，其實一開始根本沒有定下任何詞，他們商定無論從他口中說出任何詞，只要和先前得到的答案不矛盾，就認為他答對了。

　　惠勒後來在一篇文章里寫到了這件事，他闡述道，「雲」產生出來的這個過程，其實是設謎者和猜謎者共同建立起來的，並由此作類比，實驗者將要選擇什麼樣的實驗，向大自然提什麼問題，會對亞原子行為產生某些實質性的影響。對於選定的任何一個測量將得到什麼結果，亦即關於「大自然如何回答」或者「上帝在玩骰子」的時候會發生什麼，存在某種不可預測性。

　　在量子物理的現實世界中，沒有哪一個基本現象可成為「現象」——直到它被觀察記錄到為止，這就是哥本哈根思想的核心所在。在1979年普林斯頓紀念愛因斯坦誕辰100周年的專題討論會上，惠勒提出了一個「延遲選擇實驗」，更把哥本哈根學派的思想推到了極致。這是一個愛因斯坦分光實驗的延伸，它直接導致了一個震撼的推論：即觀測者現在的行為有可能對遙遠過去已經發生了的事件產生影響，這使得經典世界的因果觀念受到了最大挑戰。惠勒也藉此表達了一個心愿：他一直思考的「存在如何？量子如何？宇宙如何？」等實在本性問題首先是物理學問題，而非哲學或者神學問題，它們應成為下一代物理學家所投身的目標。

　　黑洞究竟黑在哪裡？

　　黑洞專家蔡榮根教授專訪

　　《mangazine·名牌》邀請中科院理論物理研究所的蔡榮根教授解答了我們提出的幾個關於黑洞的疑問。蔡教授的研究領域主要是引力理論、宇宙學、量子場論和超弦理論。近年來，在黑洞物理、彎曲時空場論、引力的全息性質、早期宇宙學、超弦理論等方面發表了上百篇論文，被引用二千餘次。

　　文|小庄

　　mangazine·名牌：黑洞具有什麼特徵？關於黑洞的思想最早出現在什麼時候？提出後有一個什麼樣的發展？

　　蔡榮根：從數學的方面來定義，黑洞是時空中的一個區域，這個區域的引力非常強，使得光也被吸引住了，在外部的觀測者而言，只能是根本看不見的。從天體物理的角度來說，黑洞是一類特殊的天體，這一類恆星因為密度非常大，引力非常強，它只會吸收物質，不會發射出任何物質，我們是看不見的，所以叫做黑洞。

　　愛因斯坦在1915年建立了廣義相對論，1916年，德國人卡爾·史瓦西（Karl Schwarzschild）求解愛因斯坦方程的時候就發現了這樣一類解，在描寫時空的度規上面有一個奇異性。當時認為這樣的物體是不現實的，就沒有引起大家的重視。後來由於像中子星、脈衝星、白矮星這樣一些廣義相對論預言的天體在觀測中被不斷發現，人們就認為黑洞作為廣義相對論的一個解，在自然中也應該存在著。1960年代，美國科學家約翰·惠勒命名了黑洞。

　　mangazine·名牌：所謂「霍金輻射」是怎麼一回事？

　　蔡榮根：為什麼現在很多人研究黑洞，最重要的原因就是「霍金輻射」的被發現。1973年，惠勒和他的研究生貝肯斯坦提出這樣一個問題，如果黑洞不輻射物質，這樣的一個現象是違反熱力學第二定律的。在物理學的運動過程中，整個系統的熵應該是增加的。如果說物體掉到黑洞里就看不到了，它的信息就丟失了，那不就違反了熱力學第二定律了嗎？貝肯斯坦通過研究發現，黑洞應該有一個熵，使得黑洞吸收物體的過程仍然滿足熱力學第二定律。

　　在貝肯斯坦作出這個結論之時，同時期的霍金也在做黑洞的經典研究。他一開始是反對黑洞有熵這個概念的，不過非常意外的是，1974年他在研究了黑洞外面的量子力學之後發現，黑洞事實上不是黑的，而是有所謂的「霍金輻射」，也就是說，黑洞可以向外輻射物質。 「霍金輻射」是以熱輻射的形式向外輻射出各種各樣的粒子，這個輻射唯一的參數就是溫度。但對黑洞而言，溫度是非常非常低的，大概只有10-12開爾文。所以實驗上是沒有辦法觀測到的。也就是說，現實當中，我們沒法看到黑洞的存在。

　　mangazine·名牌：怎樣才能觀察到黑洞？目前為止，科學家有沒有觀察到過這種天體？

　　蔡榮根：要觀測黑洞，只能是藉助觀測它周圍物體的運動來確定。因為黑洞本身有著非常強的吸引力，物體會被吸引到黑洞裡面去。這個過程當中，被吸引的物體會發出強大的X射線，通過觀察X射線，我們可以證實，吸引周圍物體掉到當中去的這樣一個區域，就可以被認為是一個黑洞。有很多這種天體存在的證據，每一個星系的中心，比如說我們銀河系的中心，都有一個大的黑洞存在。

　　mangazine·名牌：研究黑洞對物理學有何意義？

　　蔡榮根：前面說到，「霍金輻射」是一個量子現象。自然界中有四種相互作用：強力、弱力、電磁力和引力。前三者物理學家都可以用量子理論很好地描寫它，而引力的量子化仍然沒有完成，那麼如果想建立一個好的引力量子理論的話，必須考慮許多和量子理論相關的現象。「霍金輻射」把廣義相對論、熱力學、統計物理和引力量子化這些重要的問題連接在了一起，所以，通過研究黑洞物理，我們可以在接近這樣一個目標的過程中，得到許多的啟示和幫助。

　　mangazine·名牌：有的科幻小說講人落入黑洞視界之後，時間就停止了，人也不會老去，這種幻想在理論上有可能嗎？

　　蔡榮根：在理論上來說，這是錯誤的。一個物體掉到黑洞裡面以後，時間不會停止，但會接近一個時間的奇異點。在這個奇異點上，一方面所有物理學的定律失效，另一方面在那個點附近，潮汐力非常之大，頭上和腳上的受力差別也非常大，人會被活活撕裂。

　　mangazine·名牌：大型加速器會不會產生黑洞？

　　蔡榮根：這個問題和我們的時空維度有關係。如果我們的時空維度是四維的話，引力常數的能標是普朗克能標Ge，是非常非常高的，那麼像歐洲核子物理研究中心2008年馬上要上馬的LHC也是不可能產生黑洞的，但如果我們的時空是高維的，1998年有物理學家提出「膜世界圖像」，如果它是存在的話，高維的引力在Te維的話，那麼LHC就有可能產生黑洞。現在有很多物理學家都在研究這個問題，就是LHC上有沒有可能觀測到黑洞，關鍵依賴於建立什麼樣的模型。我們的世界有可能存在那些看不到的維度。

　　mangazine·名牌：黑洞會不會實際上是不存在的，它和暗物質或者暗能量之間有聯繫嗎？

　　蔡榮根：認為黑洞不存在的言論一直就存在，但這並非主流的觀點，因為黑洞所造成的扭曲確實有被觀察到，所以大部分理論物理學家還是相信它的存在。暗能量在宇宙中是均勻分布的，不成團，因此和黑洞肯定沒有關聯，但微觀黑洞可能會是暗物質的一部分。

　　瘋狂老師的瘋狂學生們

　　作為一位傑出的科學明星，惠勒留給這個世界的最大財富和最為持久的影響，應該是他「帶大」的那些學生，其中不乏大名鼎鼎的理查德·費曼、休·艾弗雷特和貝肯斯坦。

　　理查德·費曼（Richard Feynman）

　　「物理頑童」費曼是1965年諾貝爾物理獎得主，他1918年出生於美國紐約皇后區小鎮法洛克衛，1939年畢業於麻省理工學院，進入普林斯頓大學念研究生，成為惠勒的學生。1943年進入洛斯阿拉莫斯國家實驗室，也參加過曼哈頓計劃。因在量子電動力學方面的貢獻與施溫格、朝永振一郎共同獲得諾獎。之後他跟葛爾曼（Murray Gell-Mann）研究弱交互作用，1963年出版了備受推崇的一本教材《費曼物理學講義》。他最被人津津樂道的表現是1986年受委託調查挑戰者號太空梭失事事件，在國會用一杯冰水和一隻橡皮環說明了出事原因。1988年2月15日，因腹膜癌逝世。

　　休·艾弗雷特（Hugh Everett）

　　艾弗雷特，一位被《美國科學人》雜誌稱為「20世紀最重要的科學家之一」的量子物理學家。作為《多世界理論》一書的作者，他曾激發了許多人的靈感創作出了眾多科幻小說和電影。據說此君十幾歲時就與愛因斯坦互相通信，爭辯宇宙到底是隨機的產物還是和諧統一的衍生物。後進入普林斯頓，1954年在惠勒的指導下完成博士論文，課題內容是在量子力學原理下闡釋無限分支和裂分的平行宇宙——被惠勒稱為「多世界」的一個概念。多世界詮釋（many-worlds interpretation 或簡稱 MWI）是一種假定存在無數個平行世界，並以此來解釋微觀世界各種奇特現象的量子論。

　　艾弗雷特另一個耐人尋味的身份是搖滾樂隊Eels主唱Mark Oliver Everett的老爸。

　　貝肯斯坦（Jacob D. Bekenstein）

　　1970年，霍金髮現了「面積定律」，即黑洞的「視界」面積永遠不會縮減，似乎與熱力學第二定律有異曲同工之妙，但他並沒有在此基礎上更進一步，因認為既然絕對溫度為零，所以黑洞視界肯定與熵沒有關係。黑洞熵的發現權最終被惠勒的猶太學生貝肯斯坦得到。《約翰·惠勒自傳——物理歷史與未來的見證者》中寫道：有一天我在辦公室里和貝肯斯坦半開玩笑說，當我把一杯熱茶擺在一杯冰茶旁邊，並讓兩杯茶的溫度都變成常溫時，我都會感到內疚罪惡感。因為這個舉動雖然讓世界保持能量守恆，卻增加了世界的熵。我告訴貝肯斯坦，我的罪過會持續到時間的盡頭，沒有辦法可以予以消滅或是回復原貌。不過如果有一顆黑洞漂流經過，我就可以將熱茶及冰茶拋到黑洞之中。這樣一來是不是會將我的犯罪證據完全洗刷乾淨?

　　這番論述對貝肯斯坦產生了關鍵性影響，促使他有一天對老師說出了一番話：「黑洞視界的面積不只是接近黑洞的熵——實際上就是黑洞的熵。」貝肯斯坦在1973年在《黑洞熱力學》一文中正式發表了自己的觀點。霍金對這位初出茅廬的小夥子根本不放在眼裡，立即回應了一篇《黑洞力學中的四個原則》進行反駁。最後貝肯斯坦的想法被證明是對的。　

[我來說兩句]
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