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| 約翰·惠勒 |
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| 約翰·惠勒 |
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| 黑洞 |
來源：名牌雜志
命名黑洞者約翰·惠勒去世
一個世紀的隱喻工作者
對于現(xiàn)代物理來說，風(fēng)云詭譎、波瀾壯闊的20世紀真正結(jié)束于2008年4月13日。這一天，親眼見證了哥本哈根辯論的最后一位在世牛人約翰·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后生小輩到來，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么十一維的弦論，你給我們講講。
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只見惠勒小心翼翼從褲袋里掏出一根軟皮管來，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|小莊
這個以瑰麗想像著稱的物理學(xué)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(yè)生涯中靈感不斷，創(chuàng)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(fā)生了一次著名討論，愛因斯坦毫不掩飾自己對于剛剛冒出來的量子力學(xué)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(shù)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么，而玻爾駁斥說這個觀點過于從邏輯上考慮問題，不確定性是避免不了的，并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于它們的不確定性。歷史給出的判決是玻爾成為了最終獲勝者，他的哲學(xué)體系作為“哥本哈根闡釋”而聞名于世。而他的得意門生惠勒，后來就把“哥本哈根闡釋”描述為“大煙龍”。這是一個能夠抵御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，那里只不過彌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(xué)家，逝于96歲”。
玻爾，愛因斯坦，核武器
約翰·惠勒，1911年7月9日出生于佛羅里達東北部港口城市杰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(xué)獲得了博士學(xué)位，論文的內(nèi)容是氦的散射與吸收原理。很快地，在與未婚妻珍妮特·黑格納訂婚后第3天，他就被送往哥本哈根，師從尼爾斯·玻爾。這位量子力學(xué)教父對弟子的影響之大，不僅僅限于學(xué)術(shù)和研究方面，更有關(guān)于人生態(tài)度，1985年美國物理學(xué)會的玻爾百年紀念會上，惠勒在講話中提到一個玻爾曾經(jīng)講述給自己的佛祖的故事，然后不無深情地說：“玻爾本人對于人類問題的深刻理解，以及他對于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?！?/p>
1939年，惠勒隨同恩師離開丹麥回到美國。在納粹德國科學(xué)家已經(jīng)成功地分裂了鈾原子的幾個星期后，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(jù)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(xué)就是物理學(xué)的麥加圣地，因為它的高級研究院里匯集了愛因斯坦、約翰·馮·諾伊曼和哥德爾這樣一批大人物?；堇諠u漸也和愛因斯坦混得很熟，經(jīng)常在愛因斯坦家中和他手下的一批學(xué)生開研討會。
“二戰(zhàn)”開始后，惠勒和其他許多科學(xué)家一起參加了奧本海默領(lǐng)銜的“曼哈頓工程”。因為他能力出眾，不久就擔(dān)任了杜邦（杜邦公司當時無償協(xié)助核計劃，為大型核反應(yīng)堆和钚生產(chǎn)設(shè)施建設(shè)提供技術(shù)服務(wù)，并且只收取了美國政府象征性的1美元報酬）科學(xué)顧問這一角色，并著手解決一個令眾人困惑不已的難題——隨著反應(yīng)堆中的鈾238衰變?yōu)轭校準椒磻?yīng)會突然中止，但是過一段時間又會重新開始，被稱為反應(yīng)“中毒”。
惠勒沒花多少時間就揭示出了其中奧妙：核反應(yīng)的副產(chǎn)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(shù)量聚集過多就會導(dǎo)致沒有足夠的中子去轟擊鈾核，出現(xiàn)“中毒”現(xiàn)象，但隨著氙135不斷衰變，吸收的中子數(shù)也持續(xù)下降，經(jīng)過一段時間后，鏈式反應(yīng)又將重新開始。這是“曼哈頓工程”中最有價值的發(fā)現(xiàn)之一。
對于惠勒來說，巨大的悲痛和遺憾在于原子彈未能更早被造出來用以阻止納粹發(fā)動的戰(zhàn)爭，1944年他的弟弟喬死在了意大利戰(zhàn)場。戰(zhàn)后他仍然參與到了一些政府職務(wù)，和“氫彈之父”愛德華·特勒一起工作了好幾年，此外還有導(dǎo)彈防御計劃。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(xué)生的課程，由于缺乏實驗的支持，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(xué)生，“他使相對論重新煥發(fā)了青春，使它成為實驗對象，不再拘泥于數(shù)學(xué)公式裹足不前?！备呒壯芯繉W(xué)院的理論物理學(xué)家弗里曼·戴森如是評價。
在惠勒領(lǐng)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(guān)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(xué)生哈特蘭德·斯奈德在《物理評論》上發(fā)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(zhì)量，就能夠坍塌到極大密度，以至于其產(chǎn)生的引力讓光線也無法逸出，在中心區(qū)域，空間將會無限彎曲。惠勒最初不認同這個結(jié)論，1958年在比利時的一次研討會上，他和奧本海默發(fā)生了辯論。
惠勒的觀點是，坍塌理論對于這個星體上的物質(zhì)的最終命運“沒有給出一個可接受的理由”，他認為物理學(xué)絕對不會導(dǎo)致一個違背自己的情況出現(xiàn)——在奇點，所有的物理定律將不再適用。然而后來他終于改變了這個看法，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；所有被我們尊為神圣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(xué)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后?；艚饘Υ说脑u價是“一項天才之舉”。
沒有什么的什么，云，延遲選擇
惠勒后期的工作，越來越多地涉及到了哲學(xué)方法論層面，比如他主張將理論盡快推到極限，使它出錯，導(dǎo)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，而是另一項來自于極限的妙想：真子。
真子，Geon，g指引力gravity，e指電磁力electronmagnetism，on是代表粒子的后綴。這是惠勒設(shè)想出來的一個碩大光子，如果把它放到太陽的位置，會讓經(jīng)過的光線產(chǎn)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(zhì)量還是沒有質(zhì)量的光子。經(jīng)過計算，一個最小的純經(jīng)典真子具有炸面包圈的拓撲結(jié)構(gòu)，其尺度相當于一個太陽，質(zhì)量則達到一億個太陽的量級，這種質(zhì)量并不是真的質(zhì)量，卻是“沒有質(zhì)量的質(zhì)量”（mass without mass）。“沒有什么的什么”是惠勒自己十分推崇的想法，后來又拿來創(chuàng)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“沒有什么的什么”簡直有異曲同工之妙。
惠勒曾經(jīng)和朋友們玩“20問”的游戲，這個游戲的基本規(guī)則如下：游戲一方選定一樣事物寫下來，而另一方在不知道他寫了什么的情況下，可以提出20個以內(nèi)的問題，但提問者能得到的答案只有是或不是，最終根據(jù)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?！笆莿游飭?？”“不是?！薄笆堑V物嗎？”“不是。”“是綠色的嗎？”“不是。”“是白色的嗎？”“不是?！绷罨堇崭械狡婀值氖牵瑔栴}越問到后來，15個人給出答案的速度越慢，有時候需要討論良久。最后當他胸有成竹說出“是云嗎”，其余人集體答道“是”，爆出一陣哄堂大笑。
這位聰明絕頂?shù)奈锢韺W(xué)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。
惠勒后來在一篇文章里寫到了這件事，他闡述道，“云”產(chǎn)生出來的這個過程，其實是設(shè)謎者和猜謎者共同建立起來的，并由此作類比，實驗者將要選擇什么樣的實驗，向大自然提什么問題，會對亞原子行為產(chǎn)生某些實質(zhì)性的影響。對于選定的任何一個測量將得到什么結(jié)果，亦即關(guān)于“大自然如何回答”或者“上帝在玩骰子”的時候會發(fā)生什么，存在某種不可預(yù)測性。
在量子物理的現(xiàn)實世界中，沒有哪一個基本現(xiàn)象可成為“現(xiàn)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(xué)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(dǎo)致了一個震撼的推論：即觀測者現(xiàn)在的行為有可能對遙遠過去已經(jīng)發(fā)生了的事件產(chǎn)生影響，這使得經(jīng)典世界的因果觀念受到了最大挑戰(zhàn)?；堇找步璐吮磉_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(xué)問題，而非哲學(xué)或者神學(xué)問題，它們應(yīng)成為下一代物理學(xué)家所投身的目標。
黑洞究竟黑在哪里？
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(guān)于黑洞的疑問。蔡教授的研究領(lǐng)域主要是引力理論、宇宙學(xué)、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(zhì)、早期宇宙學(xué)、超弦理論等方面發(fā)表了上百篇論文，被引用二千余次。
文|小莊
mangazine·名牌：黑洞具有什么特征？關(guān)于黑洞的思想最早出現(xiàn)在什么時候？提出后有一個什么樣的發(fā)展？
蔡榮根：從數(shù)學(xué)的方面來定義，黑洞是時空中的一個區(qū)域，這個區(qū)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，這一類恒星因為密度非常大，引力非常強，它只會吸收物質(zhì)，不會發(fā)射出任何物質(zhì)，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(fā)現(xiàn)了這樣一類解，在描寫時空的度規(guī)上面有一個奇異性。當時認為這樣的物體是不現(xiàn)實的，就沒有引起大家的重視。后來由于像中子星、脈沖星、白矮星這樣一些廣義相對論預(yù)言的天體在觀測中被不斷發(fā)現(xiàn)，人們就認為黑洞作為廣義相對論的一個解，在自然中也應(yīng)該存在著。1960年代，美國科學(xué)家約翰·惠勒命名了黑洞。
mangazine·名牌：所謂“霍金輻射”是怎么一回事？
蔡榮根：為什么現(xiàn)在很多人研究黑洞，最重要的原因就是“霍金輻射”的被發(fā)現(xiàn)。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(zhì)，這樣的一個現(xiàn)象是違反熱力學(xué)第二定律的。在物理學(xué)的運動過程中，整個系統(tǒng)的熵應(yīng)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(xué)第二定律了嗎？貝肯斯坦通過研究發(fā)現(xiàn)，黑洞應(yīng)該有一個熵，使得黑洞吸收物體的過程仍然滿足熱力學(xué)第二定律。
在貝肯斯坦作出這個結(jié)論之時，同時期的霍金也在做黑洞的經(jīng)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(xué)之后發(fā)現(xiàn)，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(zhì)。 “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(shù)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(xiàn)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(xué)家有沒有觀察到過這種天體？
蔡榮根：要觀測黑洞，只能是借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里面去。這個過程當中，被吸引的物體會發(fā)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(qū)域，就可以被認為是一個黑洞。有很多這種天體存在的證據(jù)，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(xué)有何意義？
蔡榮根：前面說到，“霍金輻射”是一個量子現(xiàn)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(xué)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，那么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(guān)的現(xiàn)象?！盎艚疠椛洹卑褟V義相對論、熱力學(xué)、統(tǒng)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后，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。一個物體掉到黑洞里面以后，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(xué)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(chǎn)生黑洞？
蔡榮根：這個問題和我們的時空維度有關(guān)系。如果我們的時空維度是四維的話，引力常數(shù)的能標是普朗克能標Ge，是非常非常高的，那么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(chǎn)生黑洞的，但如果我們的時空是高維的，1998年有物理學(xué)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，那么LHC就有可能產(chǎn)生黑洞?，F(xiàn)在有很多物理學(xué)家都在研究這個問題，就是LHC上有沒有可能觀測到黑洞，關(guān)鍵依賴于建立什么樣的模型。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(zhì)或者暗能量之間有聯(lián)系嗎？
蔡榮根：認為黑洞不存在的言論一直就存在，但這并非主流的觀點，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(xué)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(guān)聯(lián)，但微觀黑洞可能會是暗物質(zhì)的一部分。
瘋狂老師的瘋狂學(xué)生們
作為一位杰出的科學(xué)明星，惠勒留給這個世界的最大財富和最為持久的影響，應(yīng)該是他“帶大”的那些學(xué)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年出生于美國紐約皇后區(qū)小鎮(zhèn)法洛克衛(wèi)，1939年畢業(yè)于麻省理工學(xué)院，進入普林斯頓大學(xué)念研究生，成為惠勒的學(xué)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(xué)方面的貢獻與施溫格、朝永振一郎共同獲得諾獎。之后他跟葛爾曼（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(xué)講義》。他最被人津津樂道的表現(xiàn)是1986年受委托調(diào)查挑戰(zhàn)者號航天飛機失事事件，在國會用一杯冰水和一只橡皮環(huán)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(xué)人》雜志稱為“20世紀最重要的科學(xué)家之一”的量子物理學(xué)家。作為《多世界理論》一書的作者，他曾激發(fā)了許多人的靈感創(chuàng)作出了眾多科幻小說和電影。據(jù)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(chǎn)物還是和諧統(tǒng)一的衍生物。后進入普林斯頓，1954年在惠勒的指導(dǎo)下完成博士論文，課題內(nèi)容是在量子力學(xué)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(shù)個平行世界，并以此來解釋微觀世界各種奇特現(xiàn)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，霍金發(fā)現(xiàn)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(xué)第二定律有異曲同工之妙，但他并沒有在此基礎(chǔ)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(guān)系。黑洞熵的發(fā)現(xiàn)權(quán)最終被惠勒的猶太學(xué)生貝肯斯坦得到?！都s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，并讓兩杯茶的溫度都變成常溫時，我都會感到內(nèi)疚罪惡感。因為這個舉動雖然讓世界保持能量守恒，卻增加了世界的熵。我告訴貝肯斯坦，我的罪過會持續(xù)到時間的盡頭，沒有辦法可以予以消滅或是回復(fù)原貌。不過如果有一顆黑洞漂流經(jīng)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(jù)完全洗刷干凈?
這番論述對貝肯斯坦產(chǎn)生了關(guān)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?！必惪纤固乖?973年在《黑洞熱力學(xué)》一文中正式發(fā)表了自己的觀點?；艚饘@位初出茅廬的小伙子根本不放在眼里，立即回應(yīng)了一篇《黑洞力學(xué)中的四個原則》進行反駁。最后貝肯斯坦的想法被證明是對的?！?/p>
