量子引力理论的先驱,“曼哈顿”计划的老兵,“黑洞”概念的命名者,爱因斯坦广义相对论标准教材的作者之一——
4月13日早晨,著名物理学家约翰•A•惠勒(John A.Wheeler)因肺炎医治无效在新泽西的家中去世,享年96岁。他与他人共同编写的关于爱因斯坦广义相对论的标准教材,是一本破除了几乎所有传统模式的教科书,就如同惠勒在整个物理学生涯中,力图破除所有的陈规一样。惠勒严谨但不失风趣,他总能用一些像中国禅宗偈语般的精辟短语来表达深刻的思想:万物源自比特、无质之质和量子之因等。他认为思考应该跳出框架而不应拘泥于陈式。为此,他创造了空间,让同行们开拓物理学的疆域。下面是约翰•霍根(John Horgan)1991在《科学美国人》上的一篇关于惠勒的略传。——编者
为他人开启了新的方向
要跟上约翰•A•惠勒是一件不容易的事情。当他离开他在普林斯顿大学3楼的办公室准备吃午餐时,却拒绝乘坐电梯而径直冲向了楼梯口。他强调说:“电梯对你的健康有害。”他用手拉住楼梯护栏,利用离心力选过拐角,直至在底层露面。“我们可以比比看谁下楼梯最快”,他带着轻蔑的口气说道。
走出大楼,惠勒有节奏的摆动他的双臂大步向前走。与其说他在随意走路,不如说是在急行军。直至走到了目的地,他才会停顿下来。与往常一样,他抢先走了过去为我开门。当我们穿过门后,我很恭敬的随他停下步来,毕竟,到7月他将满80岁了。但过了不一会儿,他走过我身边又冲向了下一扇门。
这是如此明显的一个隐喻,很容易让人觉得他是故意的(惠勒隐喻他毕生走在前面,为其他科学家推开一扇又一扇的大门——译者注)。惠勒,一个普林斯顿大学和德州大学奥斯汀分校的名誉退休教授,依照合约他每年到那里工作几周。在惠勒的物理学生涯中,他总是走在其他科学家的前面为他们开启了新的方向,并帮助许多理论赢得了关注和认同,尤其是一些现代物理学中最为古怪的理论,如黑洞和多宇宙理论等。“他具有一种天赋,总在别人之前看到什么是重要的,并说服他们相信这一点。”大卫•多伊齐(David Dseutsch),牛津大学的物理教授说道。
惠勒发明的一些词语、类比和格言也很出名,其中有自己杜撰的,也有引用别人的。他给我讲了许多俏皮话,如“不能具象,则无从知晓”(爱因斯坦);“上帝一位论(惠勒名义上的宗教信仰)是救援堕落的基督徒的安乐窝”(达尔文);“永远不要去追逐一辆公车、一个女人和一种宇宙论,因为几分钟后必会等到下一个”(一位耶鲁的法国史教授);“如果你没在白天发现一些新奇的事情,那么就算是白过了一天”(惠勒)。近些年,惠勒把他的同事们的注意力吸引到了一个奇怪而陌生的东西上面——一种用量子力学结合信息论的物理观,目的是寻求数据的传输和运算的最大效率。如往常一样,惠勒用了一个颇具噱头的短语“万物源自比特”来包装这个概念。
师从物理大师N•玻尔
如果不是这些不可否认的贡献和事迹的话,惠勒可能会被认为是一个有趣但很古怪的人。惠勒的父母是勤于思考和充满好奇心的图书管理员,他们把对阅读的渴望遗传给了惠勒。惠勒在他16岁那年进入了约翰•霍普金斯大学,并于6年后拿到了他的物理学博士学位。
后来他去了哥本哈根,跟随伟大的丹麦物理学家尼尔斯•玻尔(Niels Bohr)学习,“因为他比任何一个在世的人都看的远”,惠勒在他的申请书中那么写到。1939年,玻尔和惠勒发表了他们的第一篇文章,成功的用量子物理解释了核裂变。惠勒在核物理上的突出成就曾参与了第二次世界大战的原子弹计划以及冷战时期的氢弹计划。
我曾听说惠勒那朋友般热勤的背后是一副铁石心肠。当我问他有没有重新考虑过关于参与制造核武器的问题时,他眯起了眼睛说,他的很多朋友都对这些武器表示强烈的谴责,他则称这些为“毒品恐惧论”。他说他并不后悔,坚持认为核武器救了许多人的性命。因为有了核武器才能提早结束第二次世界大战,并且阻止了苏联随后可能发生的侵略。
当惠勒参与的氢弹计划结束后,他开始在普林斯顿潜心研究相对论和引力理论,这是被他称为毕生至爱的东西。在1966年,他提出蟹状星云的光是由内部旋转的中子星发出的,这些中子星则是由恒星经引力坍缩而形成的。天文学家后来发现,这类自转的中子星或脉冲星在蟹状星云和银河系其他地方都可以找到。
惠勒同时也考虑了物质能否坍缩到比一种中子星更致密的状态,以致于包括光在内的任何物体都无法逃逸。这类模型是由罗伯特•奥本海默(Robert Oppenheimer)和哈特兰•S•斯奈德(Hartland S.Snyder)在1939年首次提出的,但一直被认为只存在理论上的可能性,实际并不会真实存在。
惠勒回忆到,在1967年的一次会议上,会议正在讨论关于“引力作用下的完全坍缩体或完全引力坍缩体”(completely collapsed gravitational objects),这时台下有一名听众偶然提到了“黑洞”这个词,因为其简洁性和“广告价值”,惠勒当场就决定采用这个词来描述这种“完全坍缩体”,随后这个词便流行了起来。很大程度上正是因为惠勒的果断,使得黑洞在现今的宇宙学和天体物理中扮演着重要的角色。
客观实在与观测和意识
20世纪50年代,惠勒越来越沉湎于量子物理中的哲学内涵。根据量子理论,一个诸如电子的粒子占据了空间许多不同的位置,而当我们发现它时,它就会突然“塌缩”到某一个单一的位置。惠勒是最早正式提出客观实在可能不是一个整体物理现象的物理学家之一。从某种意义上说,惠勒认为,实在独立于观测和意识本身:它只是“供人分享”而已。
这些对实在的反思导致了现代物理学中两种更为奇怪的概念。1957年,普林斯顿的休•埃弗雷特(Hugh Everett)在由惠勒指导的博士论文中提出了多世界理论:尽管我们能够观测的粒子处于一个单独的位置,但是实际上它却占据了不同宇宙中量子理论所允许的所有位置。4年后,普林斯顿的另一位物理学家罗伯特•H•迪克(Robert H.Dicke)提出了人择原理。他认为,宇宙如果不是现在这样的,我们就不能在这里观测到它。尽管许多物理学家认为,这些理论是不可验证的、是非科学的而对其望而却步,但惠勒却极力主张它们应该受到重视。
与此同时,惠勒开始把他的同事的注意力引向关于物理学和信息论的类比。这个概念由贝尔实验室的克劳德•E•申农(Claude E.Shannon)在1948年首次提出——量子理论中所说的物理是建立在一个基本的不可分割的又基于观测行为的实体上,信息论也是一样。它的量子态就是一个二进制单元,或说是一个比特,即一个讯息,它代表了两种选择:头或尾,是或不是,0或1。
而且,信息论也拓展了一种新的视角来认识熵,这个物理学中最重要也是最令人迷惑的概念。在物理学中,熵被定义为用来描述系统的无序度和混乱度的物理量。申农提出:对于一个给定系统,其信息,即该系统所有可能的讯息的总合是一个熵的函数;当其中一个增长时,另一个也随之增长。惠勒指出,与量子物理中的事件一样,熵也是取决于观测者意识的状态。体系的潜在信息与它的无知度成正比关系,因此体系的熵也是如此。
惠勒并不是唯一一个承认这些联系的科学家,“但是他很可能是第一个认为信息论中可能存在着基础物理内涵的人,”洛斯•阿拉莫斯国家实验室的物理学家W•H•朱里克(Wojciech H.Zurek)说道。在20世纪60年代末,他的另一个博士研究生雅各布•贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)就用了信息论来描述黑洞,给出了黑洞的“事件视界”的表面积等于其热力学熵,也等于黑洞所失去的信息。
“万物源自比特”的疑问
一个由计算机专家、天文学家、数学家、生物学家以及物理学家组成的研究小组走进了由惠勒开启的这扇门。在1989年的春天,他们在新墨西哥州的圣菲研究所报告各自的最新进展,内容最终汇集出版了一本名为《熵和信息中的物理》的书。书的第一章是基于惠勒在会上的讲话编写的,在16页的内容中,惠勒引用了175处,包括希腊诗人巴门尼德(Parmenides,古希腊埃利亚学派哲学家,认为存在是单一的,有限的,不变的和不可分割的,著作有诗篇《论自然》——译者注)、莎士比亚、莱布尼茨、爱因斯坦,甚至还有得克萨斯奥斯汀匹堪街头咖啡店男厕所中的涂鸦:“时间是自然界用来让所有事情一起发生的方式。”惠勒同时也在思考实在“不是”什么:它不是“一部由一些预设的连续的物理规律所控制的大型机器”;在它最基本的层面上,它甚至没有像空间或时间这样的维度。
实在到底是什么?惠勒用了一个只能意会不能言传的词回答了这个他自己提出的问题,“万物源自比特。”他解释道:“万物指的是任何的粒子、力场,甚至是时空连续的本身,它们都是从那些由‘设备’决定的是或不是的答案中、二进制选择或比特中得到了它们的函数,它们的意义和它们的存在。即便在一些间接的情况中,也是如此。”
为了更好阐述他的想法,惠勒用了一个古老游戏——20个问题——所谓的“惊喜”版本来详释这个想法。在这个游戏通常的版本中,A想好一个物体,动物、蔬菜或矿物,B则要尝试用一系列是或不是的问题猜出到底是什么。在这个“惊喜”版本中,A只能在B问了第一个问题后决定那个物体是什么。在整个过程中A可以换新的物体,只要它符合B问的前一个问题。惠勒认为,客观实在就是由这些问题所定义的。
其他的科学家是怎么看待这些观点的呢?圣菲会议的组织者朱里克认为,惠勒的风格是“预言性的和指引方向的,而不是关于那些已经干了的事情的。”
惠勒认为整个领域还非常的粗糙,并没有做好接受严格检查的准备。他和他的合作者仍然在试着了解“地形地貌”并学习如何用信息论的语言进行会话。惠勒说,所有的努力可能使整个演出为一个充满活力的新版本,也可能引向一个死胡同。“我喜欢玻尔的那句话:‘你必须准备好迎接一个惊喜,一个特别大的惊喜。’”
另一个特别受人欢迎的“惠勒主义”观点是:“一个人只有在教学的过程中才能学习。”在整个物理生涯中,惠勒培养了50个Ph.D,包括杰里米•伯恩斯坦(Jeremy Bernstein);最出名的学生是理查德•P•费曼(Richard P.Feynman),其因为在量子电动力学上的杰出贡献而获得1965年的诺贝尔奖。从原则上来讲,惠勒已经不能再教书了。他说:“如果哪个学校能让它的教授在70岁以后继续教书,请告诉我。”
不过,惠勒既无法停止教书也无法停止学习。在我的访问中,我们碰到了一个年轻的物理学家,他向我们简要的阐述了他的宇宙学新理论,该理论基于的假定是宇宙中充满着像绳子节一样的空间“缺陷”。“我不能相信空间是如此的丑陋,”惠勒说。看到那个年轻的学者脸上露出了沮丧的表情后,惠勒拍了下他的胳膊说,“因为讨厌才会去学习,因为学习才会去理解,因为理解才会去欣赏,因为欣赏才会去喜欢,所以也许我们最终会喜欢上你的理论。”那个年轻人脸上终于露出了微笑。这时,惠勒大步地朝前走了。