撰文 | Amanda Gefter

编译 | 刘孝男

审校 | 吴非

转自 | 环球科学ScientificAmerican

绘图:Wesley Allsbrook

1945年,约翰·惠勒参与研发的原子弹终结了第二次世界大战,却没能来得及挽救已经战死的弟弟。这令惠勒懊悔不已,也让他在后半生的学术生涯中,将大量精力用于研究时间与存在的物理学意义。这位为“虫洞”、“黑洞”命名的物理学家,通过一个由双缝干涉实验改造的思想实验,提出了大胆的时间观:宇宙的历史不是一成不变的,是我们的观测决定了宇宙的演化历程……

明信片上只写了两个字:“快点。”

当他收到弟弟乔(Joe)的明信片时,33岁的物理学家约翰·惠勒(John Wheeler)正在华盛顿州的汉福德工作,那里有为洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室(美国原子武器研究基地)提供钚的核反应堆。那是1944年的夏末,乔当时正在意大利的二战前线奋战。他很清楚他的哥哥在做什么。他知道,5年前,惠勒与丹麦科学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)共同阐明了核裂变的物理机制:如果用中子去轰击某些元素的不稳定同位素,比如铀或者不久后被合成的钚的同位素,沿着原子被轰击的裂缝将释放出难以想象的原子能。巨大的能量足以夷平一座城市,足以结束二战。

收到弟弟的明信片后,惠勒尽可能加快了工作步伐。第二年夏天,曼哈顿计划取得了成功。在新墨西哥州的穆尔托(Jornada del Muerto)沙漠上,物理学家引爆了人类历史上的首次核爆炸,1000英尺内的沙子都融成了玻璃。 曼哈顿计划的项目主任罗伯特·奥本海默(Robert Oppenheimer)站在10英里外的安全区大本营里注视着这一切,心里默念起印度经文《薄伽梵歌》(Bhagavad Gita)中的句子:“现在我成了死神,世界的毁灭者。”此时身处汉福德的惠勒正想着一些不同的事情。他希望他们的成功为时不晚。他不知道的是,在佛罗伦萨附近的山坡上,他的弟弟乔躺在一个坑里,已经没了呼吸。

惠勒得知这个消息后悲痛欲绝,陷入了深深的自责。“如果原子弹项目能早一年开始,然后早一年结束,也许就能多挽回1500万条性命,而我的弟弟乔就在其中,” 他在回忆录中写道,“如果当初我努力尝试的话,也许我可以说服决策者。”

时间。作为物理学家,惠勒曾经满怀好奇地想要理解这个神秘的维度。现在,乔去世了,这个问题就成了私人恩怨。

“阻碍我彻底理解存在的意义的所有障碍中,没有什么比‘时间’更让人沮丧,”惠勒在日记里写道,“解释时间?你得解释存在。解释存在?你得解释时间。”

在他人生的帷幕落下之前,惠勒比所有其他思想家都更加彻底地改变了我们对时间的理解——这是对弟弟的纪念引发的改变,一场由悔恨激起的革命。

时间之谜

1905年,也就是惠勒出生前六年,爱因斯坦阐述了狭义相对论。他发现时间在每个地方并不是以一致的速度稳定流动; 相反,它与观察者的运动有关。你运动得越快,时间走的越慢。如果你能像光一样快,你会看到时间停止并消失。

但是,几年之后,量子力学的公式将物理学家引向了相反的结论。量子系统是由被称作波函数的数学波描述的,它描述了在测量下发现系统处于任何给定状态的概率。但波函数不是静态的,它会随着时间演化。换句话说,时间是定义在量子系统之外的,就像一个外部时钟,一秒接着一秒,每一秒都有绝对的长度。这是对爱因斯坦理论的公然挑战。

这就是惠勒在20世纪30年代踏入物理学领域时的情形——两种理论僵持不下,时间的本质也就悬而未决。1940年的一个晚上,惠勒第一次隐约感觉到时间并不像看上去那样。当时他在思考有关正电子的问题。正电子是电子的反粒子,有着相同的质量,相同的自旋,以及相反的电荷。但是,为什么会存在这样的反粒子?当他产生那个想法时,惠勒在电话里对他的学生理查德·费曼说 :“它们都是相同的粒子!”

想象一下,在整个宇宙中只有一个电子,当它在时空中蜿蜒前行,沿着错综复杂的路径,以至于我们产生错觉:单个粒子产生了无数粒子,包括正电子。惠勒宣称,正电子只不过是在时间上反向运动的电子。(善良的费曼在1965年诺贝尔物理学奖的获奖感言中说,这个想法是他从惠勒那里“窃取”的。)

完成曼哈顿计划后,惠勒渴望回到普林斯顿去研究理论物理学,但计划遭到了推迟。后来,他加入了物理学家爱德华·特勒(Edward Teller)的团队,在洛斯阿拉莫斯制造一种比原子弹更致命的武器——氢弹。1952年11月1日,惠勒乘柯蒂斯号,在距离埃鲁格拉布(Elugelab)岛约35英里的太平洋海面上,目睹着美国引爆了一颗氢弹,其能量是摧毁广岛的原子弹的700倍。测试结束后,那座太平洋小岛也就此消失。

并非基本?

完成了在洛斯阿拉莫斯的工作后,回到普林斯顿大学的惠勒爱上了广义相对论和万有引力。广义相对论描述了质量如何将时空扭曲成奇异的几何形状,也就是我们所称的引力。惠勒想知道时空的形状能变得多奇怪。当惠勒把这个理论推到极限时,他被一个似乎能颠倒时间的东西深深吸引了。它被称为爱因斯坦-罗森桥(Einstein-Rosen bridge),就像一条在宇宙中开辟捷径的隧道,连接了时空中相距很远的点。当你从一头进去、从另一头出来,就可以做到跑得比光速快,或者在时间上倒退。惠勒知道如何给晦涩难懂的数学概念取一个好名字来赋予它们生命,1957年,他给这个扭曲的实体取了个名字:虫洞(wormhole)。

虫洞示意图

当他在关于时空的理论中进一步推进时,惠勒遇到了另一处引力异常。在这里,质量密度如此之大,以至于引力变得无限强大,时空被无限扭曲。同样,惠勒给它起了个名字:黑洞。这是一个“时间”失去意义的地方,仿佛时间在这里从未存在过。 “每个黑洞都会终结时间。”惠勒这样写道。

20世纪60年代,越南战争撕扯着美国的文化,惠勒却在努力地修补广义相对论和量子力学之间的裂痕,这个裂痕叫作时间。1965年的一天,惠勒在北卡罗来纳州等待转机时,请同事布莱斯·德威特(Bryce DeWitt)在机场陪了他几个小时。在机场,惠勒和德威特写下了一个波函数方程,惠勒称之为爱因斯坦-薛定谔方程,后来人们将其命名为惠勒-德威特方程。(德维特后来叫它“那个该死的方程”。)

惠勒和德维特的波函数描述的不是某个实验室中粒子的运动,而是整个宇宙。唯一的问题是,时钟应放在何处?他们不能把它放在宇宙之外,因为根据定义,宇宙没有外部。所以,他们的方程在成功地结合了相对论和量子理论精华的同时,也描述了一个无法演化的宇宙——陷入单一、永恒的瞬间中,如同被冻结的宇宙。

惠勒对虫洞的研究已经表明,如同电子和正电子一样,我们或许可以弯曲和折断时间箭头。与此同时,他在黑洞领域的工作使他怀疑,时间在本质上是不存在的。那个该死的方程让惠勒有了一个挥之不去的预感,那就是时间不可能是现实的基本要素。就像爱因斯坦说的,它一定是一种顽固而持久的错觉,是我们被困在一个只有内部的宇宙中的结果。

惠勒确信存在之谜(反过来也是时间之谜)的核心线索是量子测量。他发现量子理论的奇异之处在于,当观察者进行测量时,他测量的并不是世界上已经存在的东西。相反,是他的测量通过某种方法将这种东西变成了现实——一个匪夷所思的事实,很难让人相信,除非是被双缝实验一遍又一遍地证实。这个实验一直萦绕在惠勒的脑海中。

双缝实验

在这个实验中,激光源每次发射出单个光子,打在一块刻有两条平行狭缝的屏幕上,然后落在另一边的感光板上,留下一个光点。每个光子有一半的机会通过两条狭缝中的一条,所以经过很多次之后, 你会认为感光片上应该有两个大光斑,一个光斑代表着通过狭缝A的那部分光子,另一个光斑代表着通过狭缝B的那部分光子。实际上不是这样。相反,你会看到一系列的黑白条纹——一个干涉图样。“看着这个实验,量子行为变得栩栩如生,”惠勒写道,“尽管它在概念上很简单,但却醒目地揭示了量子理论令人难以置信的奇异之处。”

尽管听上去匪夷所思,但干涉图样的出现只能意味着一件事:每个光子同时穿过了两条狭缝。当光子飞向屏幕时,可以用量子波函数描述,在屏幕上,波函数一分为二。同一个光子的两个版本分别穿过了两个狭缝,当它们在另一边出现时,波函数重组——只是现在它们有些不同步了。在波对齐的地方,光被放大,在板上产生亮条纹,在它们不同步的地方,光自我抵消了,留下暗条纹。

然而,当你试图捕捉穿过缝隙的光子时,事情就变得更加奇怪了。在每个狭缝处放置一个探测器,然后再次进行实验,光子一个接一个地发射,感光片上开始出现图样。这时的图样不是条纹,而是两个大光斑,每个狭缝对着一个:每个光子一次只走一条路径,好像它知道自己被监视了。

光子当然什么都不知道。但是一旦选择了测量系统的哪个属性,我们就决定了系统的状态。如果我们不问光子走哪条路径,它会同时走这两条路径。我们的询问决定了路径。

惠勒想知道,这个想法能否推广开来。我们可以询问存在的起源吗,大爆炸和138亿年的宇宙历史呢?宇宙的诞生呢? “量子原理是巨型冰山的一角,”惠勒于1974年6月27日在他的日记中写道,“过去、现在和未来的关系比我们想象的更紧密。”

约翰·惠勒

延迟选择

在他的日记里,惠勒为宇宙画了一幅类似大写字母U的画,一只巨大的眼睛位于最左端,目光穿过这个字母中间的深渊,注视着最右端,那里是时间的起源。当你从右往左,沿着“U”字形去看,你会看到随着时间推移,宇宙在成长。恒星形成然后死亡,将它们的原料(包含碳)喷向空旷的宇宙。在天空的一角,一些碳落在一颗岩石行星上,合并成一些原始的物质,生长,演化,直到…一只眼睛! 宇宙创造了一个观察者,现在,在量子测量行为下,这个观察者回望并且反过来创造了宇宙。惠勒在这幅画下面潦草地写道:宇宙是一个自激的系统。

惠勒知道,这幅画的问题在于它与我们对时间的最基本理解相冲突。电子在时间上反向运动或者虫洞逆转了时间的箭头是一回事,而讨论因果关系又完全是另一回事。我们原以为是“过去”流向了“现在”,如今的情况是“现在”反过来产生了“过去”。

1979年,惠勒在马里兰大学的一次演讲中,提出了一个大胆的思想实验,这个实验后来成了他关于时间的观点最经典的应用:延迟选择。

惠勒意识到,可以调整双缝实验,让观察者能够在光子穿过狭缝以后再决定他想看到的是条纹还是光斑——也就是说,他可以创造现实。在光子打到感光片之前的最后一刻,他可以选择取下感光片,换成两个小望远镜:一个指向左边的狭缝,另一个指向右边的狭缝。望远镜能分辨出光子穿过的是哪个狭缝。但是如果观察者不换走感光板,干涉图样就形成了。观测者的延迟选择决定了光子是走了一条路径还是同时走了两条路径。

对惠勒来说,这不仅仅是好玩,也是为了研究宇宙存在的线索。他需要这个机制来让他的U型图发挥作用,进而改变时间的规则,让诞生于138亿年前的宇宙,被我们自己创造于当下。

惠勒说,要明白这一点,只需进行延迟选择实验,并将其放大。想象一下光从十亿光年外的类星体向地球飞来。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。光线在星系周围弯曲,以同样的概率从它的左边或者右边绕过,为了进行思想实验,假设每次只能有一个光子到达地球。现在我们面临着相似的情况:我们可以将感光板置于光线到达点的中心,在那里,干涉图样将逐渐出现;或者我们可以将望远镜对准银河系的左边或右边,看看光线经过的路径。我们的选择决定了光子经历了两个互斥的历史中的哪一个。我们决定了它从开始到结束的路线,尽管它在10亿年前就开始了它的旅程。

1984年,物理学家卡罗尔·阿利(Carroll Alley)最终完成了这个实验,他是惠勒演讲当天在场的观众。正如惠勒所想象的那样:在现在进行的测量可以创造过去。我们曾经熟知的时间并不存在;过去并不是不可改变地发生在将来之前。惠勒发现,历史从不是一成不变的。

与时间赛跑

尽管如此,惠勒还是没有弄清一些基本的问题。他知道量子测量可以让现在的观察者创造过去,宇宙通过自身的力量让自己存在。但是量子测量是如何做到的?如果时间不是基本的,为何它又如此无情?“我得继续死磕这个问题,否则我就不是‘我’了”,惠勒在日记里写道,“停下来,我就会变成一个畏缩的老头;接着做,我的眼睛才会继续闪光。”

1988年,惠勒的健康状况有所恶化。他两年前就已经做过心脏手术了,现在,他的医生说他可以再活三到五年。在死亡的威胁下,惠勒变得沮丧起来,他担心自己无法及时解开存在的奥秘,甚至无法弥补挽救不了弟弟的失败。他在日记中“致歉”的标题下写道,“要发展这些想法需要多年的时间,而我已经76岁,我没有时间了。”

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。惠勒眼里的光芒继续闪耀,他不断钻研量子力学的奥秘和时间的奇怪循环。“在量子光辉的背后,是耻辱”,他在1999年6月11日写道,“为什么是耻辱?因为我们仍然不明白量子是怎么来的。量子是宇宙自我创造的信号?”那一年晚些时候,他写道:“存在是怎么来的?量子是怎么来的?对于提出这样的问题的人,难道死亡就是惩罚吗?”

虽然惠勒的日记展示了一个孤独求索的人,但他的影响却非常深远。在他生命的最后几年,斯蒂芬·霍金和他的合作者、比利时鲁汶大学理论物理研究所的托马斯·赫托格共同发展了“自上而下”的宇宙学,这是惠勒推迟选择的直接产物。正如来自遥远类星体的光子在无人注意的情况下会同时走多条路径一样,霍金和赫托格认为,宇宙有着多重历史。

正如观测者能够测量出数十亿年前光子的历史一样,宇宙的历史只有在观测者进行测量时才会成为现实。通过将量子力学定律应用于整个宇宙,霍金在惠勒的基础上挑战我们对时间的直觉。“自上向下的方法导致了一种完全不同的宇宙观,”霍金写道,“以及因果关系。”这正是惠勒对他创造的宇宙的描述。

2003年,惠勒还在追寻存在的意义。“我无法想象我能如此理智地谈论‘为什么存在’,他在日记中写道,“我剩下的时间不多了!”

2008年4月13日,在新泽西州海茨敦,96岁地约翰·惠勒最终失去了与时间赛跑的机会。那顽固而持久的幻觉。

原文链接:

http://nautil.us/issue/66/clockwork/haunted-by-his-brother-he-revolutionized-physics-rp