物理群星
约翰·阿奇博尔德·惠勒 肖像

图:AIP Emilio Segrè Visual Archives / Wikimedia Commons(署名许可)

约翰·阿奇博尔德·惠勒

John Archibald Wheeler

1911–2008 · 生于美国佛罗里达州杰克逊维尔 · 美国

相对论天体与宇宙学量子力学原子与核物理

给黑洞命名、让宇宙学会「自指」的物理学家

「我们生活在一片无知的海洋中的知识小岛上;知识之岛越大,无知的海岸线就越长。」

—— 惠勒公开演讲(转述)

惠勒是那种很难用一个头衔框住的人:他参与造出原子弹和氢弹,却转身研究宇宙最深处的引力;他教出了费曼,又给了全人类「黑洞」这个日常词。他晚年的口号只有一个短句——It from bit:一切存在,或许都从信息而来。

从液滴模型到曼哈顿

惠勒的学术起点在约翰斯·霍普金斯大学,1933 年获博士学位,导师是化学物理学家卡尔·赫茨菲尔德。真正塑造他的人是玻尔。1934 年,他来到哥本哈根,在玻尔身边待了一年多,学会了两件事:面对最古怪的实验事实保持镇静,以及永远寻找最简单的物理图像。这份训练很快派上用场。1939 年,他与玻尔合作用液滴模型解释铀核裂变——重核像一滴被摇晃过度的水珠,拉长、断裂、分裂成两个较轻的核。论文发表后不过几年,这条纯理论线索就被战争拖进了工程现场。

1942 年,惠勒加入曼哈顿计划。在芝加哥,他参与了人类第一座反应堆的前期工作;在汉福德,他负责设计把铀转化为钚的生产堆。战争结束后,他一度回到普林斯顿教书,1950 年代又被召回主持「马特洪计划」,为氢弹攻关。多年后他坦言,氢弹的延迟源于一个本可纠正的错误计算;若没有那段延迟,人类或许会更早面对这种武器的全部后果。这段经历也让他留下终身立场:科学家必须为技术的使用负起责任。

给黑洞起名的人

1950 年代末,惠勒在普林斯顿把研究重心转向广义相对论。当时这一领域早已被主流冷落多年,他却带着一批年轻学生重新开荒。1957 年,他把爱因斯坦与罗森讨论过的时空管道命名为「虫洞」;1967 年,在一次讲座上,有人问起那颗引力坍缩到底的天体该叫什么,惠勒脱口而出——black hole。据说这个词最早来自听众,但正是惠勒让「黑洞」从一句俏皮话变成物理学的正式术语。他还把黑洞概括成一句格言:「黑洞无毛」——无论最初是什么东西塌进去,外面的观察者最终只能看到质量、电荷和角动量。

他和米斯纳、索恩合著的《引力》在 1973 年出版。这本重得像砖头的大书把广义相对论重新建成一个活跃的研究领域,教会整整一代人如何计算弯曲时空。惠勒的授课风格也像这本书:直觉先行,几何说话,金句不断。

观察者创造历史吗?

惠勒晚年把注意力转向量子力学的根本问题。他设计了一个思想实验:让一个光子的路径在它「已经」通过之后才被改变——结果似乎表明,我们对「过去发生了什么」的追问本身,参与塑造了那段历史。他把这个想法概括为「参与的宇宙」:观察者不是站在宇宙外面的旁观者,而是宇宙自己形成的自我意识。1990 年,他进一步提出「It from bit」——信息不是物质的附属品,物质本身是从「是/否」这类最基本的信息中生长出来的。这些思辨未必人人接受,却让量子基础研究重新变得大胆。

在更技术的一侧,惠勒与德维特写下的方程把宇宙整体当作一个量子系统,时间在方程里消失了。这个「波函数不随时间变化」的奇怪结果,至今仍是量子引力必须回答的问题。惠勒还造过一个词:量子泡沫——在普朗克尺度上,时空本身或许像沸腾的泡沫一样不断涨落,光滑的几何只是一张宏观的放大照片。

好老师比好理论更长久

惠勒的学生名单几乎是一份理论物理的目录:费曼的路径积分是在他指导下起步的,艾弗雷特的多世界解释诞生于他的课堂,索恩继承了广义相对论的火把,米斯纳与他一起把引力重新写进教科书。他喜欢说,一个好老师要做的不是给出答案,而是把学生带到问题的悬崖边上,再轻轻推一把。

2008 年,惠勒在九十六岁高龄去世。他没有得过诺贝尔奖,但黑洞、虫洞、量子泡沫和「参与的宇宙」这些词都刻着他名字的笔迹;而费曼那句「凡我不能创造的,我就不理解」,某种程度上正是惠勒式物理直觉的另一个回声。

代表方程

惠勒-德维特方程

H^ Ψ=0\hat{H}\,\Psi = 0

宇宙整体的波函数不含时间:时间并不是现成的舞台,而要从更基本的量子引力里涌现出来——这也是「时间从何而来」的标准答案之一。

伟大发现

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.惠勒与费曼《以与吸收体的相互作用作为辐射机制》,《现代物理评论》第 17 卷第 157 页(1945)
  2. 2.米斯纳、索恩与惠勒《引力论》(旧金山,1973)——惠勒主笔的那本黑砖头
  3. 3.爱因斯坦《广义相对论的基础》,《物理学年鉴》第 354 卷第 769 页(1916)