「1962年，我剛到普林斯頓讀研究生的時(shí)候，我的夢(mèng)想是和惠勒教授一起研究相對(duì)論，我便戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢的去敲他的門(mén)。他熱情并微笑著迎接我，把我領(lǐng)進(jìn)他的辦公室，然后立即開(kāi)始和我討論恒星在其生命終結(jié)時(shí)引力坍縮的奧秘。一個(gè)小時(shí)后，當(dāng)我走出他的辦公室時(shí)，我變成了他的信徒?！?/p>
撰文 | Kip S. Thorne（基普·索恩）
翻譯 | 吳寅昊
審校 | 梁昊 等
約翰·阿奇博爾德·惠勒（John Archibald Wheeler）是一位致力于腳踏實(shí)地的項(xiàng)目和大膽構(gòu)思的理論物理學(xué)家，即使在天馬行空的想象中，他也一直強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)的重要性。他的研究和見(jiàn)解對(duì)核和粒子物理、核武器的設(shè)計(jì)、廣義相對(duì)論及相對(duì)論天體物理、量子引力及量子信息等領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響。但他最大的影響，是對(duì)學(xué)生、博士后和成熟的物理學(xué)家的教誨和啟發(fā)。
他以他所謂的激進(jìn)保守主義原則為指導(dǎo)，這是受尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）的啟發(fā)：把你的研究建立在完善的物理定律基礎(chǔ)上（保守），但是把它們推向盡可能最極端的領(lǐng)域（激進(jìn)）。他常常超越人們所熟知的物理學(xué)的界限，以其富有先見(jiàn)之明的方式進(jìn)行推理，從而啟發(fā)后世的物理學(xué)家。
在約翰·霍普金斯大學(xué)的卡爾·赫茲菲德（Karl Herzfeld）教授指導(dǎo)下完成博士學(xué)位后（1933年），在紐約大學(xué)和哥本哈根，惠勒分別跟隨格雷戈瑞·布雷特（Gregory Breit）以及尼爾斯·玻爾完成了兩段博士后經(jīng)歷。在那之后，他先是在北卡羅來(lái)納大學(xué)當(dāng)了三年的助理教授（1935年-1937年），又在普林斯頓大學(xué)度過(guò)了40年的教授生涯（1937年-1976年），最后，他來(lái)到了德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校，在那里做了10年的教授（1976年-1987年）。他退休后回到了普林斯頓大學(xué)，仍一直積極地、充滿(mǎn)熱情地從事物理研究，直到他于96歲去世。
約翰·阿奇博爾德·惠勒
約翰·阿奇博爾德·惠勒的氣質(zhì)
約翰·惠勒舉止端莊，所以作為學(xué)生，我總是稱(chēng)呼他為“惠勒教授”——一個(gè)相當(dāng)可敬的“惠勒教授”。當(dāng)我在他的指導(dǎo)下完成博士論文答辯的第二天，我打電話(huà)到他家，他的夫人珍妮特（Janette）接的電話(huà)，我問(wèn)她我能否和惠勒教授聊一聊，她用和善的聲音告訴我，“基普，你現(xiàn)在有博士學(xué)位了，所以你可以叫叫他約翰尼（Johnny）”，于是從那時(shí)起我便這樣做了。在這本傳記回憶錄中，我將稱(chēng)他為惠勒、約翰、或者在個(gè)別情況下稱(chēng)他為約翰尼，這取決于我想表達(dá)的正式程度和個(gè)人感情。
在我們幾十年的友誼中，我最開(kāi)始欣賞和享受的是約翰不羈的一面。例如，他喜歡爆炸，盡管在10歲時(shí)因?yàn)橥嬲ㄋ幤慷獋耸持负湍粗浮?971年，在哥本哈根的嘉士伯大廈舉行的一場(chǎng)正式、盛大的宴會(huì)中，約翰偷偷地點(diǎn)燃了一串爆竹，并把它扔到了椅子后面，以此來(lái)慶祝自己60歲生日。這在用餐者中引起了相當(dāng)大的騷動(dòng)，但只有我，至多加上坐在他旁邊的一兩個(gè)人知道他是“罪魁禍?zhǔn)住保约熬売?，而他則面無(wú)表情。
約翰明白一個(gè)簡(jiǎn)練的短語(yǔ)或一個(gè)概念的名字可能對(duì)研究人員和非科學(xué)家產(chǎn)生的心理影響，因此他花了很多時(shí)間在溫水中泡澡，來(lái)思考所有可能的名字和短語(yǔ)。他創(chuàng)造的新詞有[2]：
歷史求和（sum over histories）：用于費(fèi)恩曼（Feynman）的量子力學(xué)路徑積分公式；
減速劑（moderator）：在核反應(yīng)堆中減緩中子速度的物質(zhì)；
仿星器（stellarator）：一種等離子體磁約束裝置；
蟲(chóng)洞（wormhole）：一種彎曲的幾何空間中的拓?fù)淦款i；
黑洞（black hole）：恒星內(nèi)爆后留下的物體；
單個(gè)量子不能被克隆（a single quantum cannot be cloned）：一個(gè)限制量子放大器的定理；
萬(wàn)物源于比特（it from bit ）：John猜測(cè)量子信息是一切現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)；
黑洞無(wú)毛定理（a black hole has no hair）：黑洞的唯一性定理。關(guān)于無(wú)毛定理，珍妮特曾經(jīng)告訴過(guò)我這是約翰尼淘氣的一面。
約翰總是彬彬有禮的。他曾經(jīng)的學(xué)生大衛(wèi)·夏普（David Sharp）在1977年寫(xiě)給約翰的一封信中舉了一個(gè)例子：“有一天（20世紀(jì)60年代初我們一同工作的時(shí)候）有個(gè)人來(lái)拜訪(fǎng)你。他對(duì)于某些事情有一個(gè)自己的‘理論’想解釋給別人。大約30秒后，一切清晰起來(lái)，這人是個(gè)‘民科’。……隨著討論時(shí)間的流逝，我開(kāi)始變得不耐煩?！銢](méi)有，你對(duì)那個(gè)人很尊敬?！憧创┝四莻€(gè)人的想法，并迅速而友好地指出了其中的缺陷。……我確信當(dāng)這個(gè)人離開(kāi)時(shí)，仍然對(duì)自己的‘理論’的基本正確性深信不疑。但他承認(rèn)的確存在缺陷（這是毀滅性的），而且我同樣確信他感覺(jué)自己受到了公平對(duì)待。”
彬彬有禮？嗯，差不多吧。在極為罕見(jiàn)的情況下，當(dāng)有特殊需要時(shí)，約翰也可能會(huì)直言不諱。迪克·費(fèi)恩曼（Dick Feynman）在20世紀(jì)70年代曾經(jīng)給我舉過(guò)一個(gè)例子，當(dāng)時(shí)我們?cè)谝粋€(gè)宴會(huì)上喝的都有點(diǎn)高：“在我還是他的學(xué)生的時(shí)候，惠勒有時(shí)對(duì)我來(lái)說(shuō)太快了，”費(fèi)恩曼說(shuō)，“有一天，我們正一起算一個(gè)東西，我看不出來(lái)他是如何從這一步走到那一步的?！康安判枰@些步驟，’惠勒說(shuō)到，隨后他為我導(dǎo)出了省略的步驟。”這是我基普，唯一一次聽(tīng)到約翰以前的學(xué)生談?wù)撍牟欢Y貌的行為。我只能推測(cè)：1. 費(fèi)恩曼一直表現(xiàn)得非常魯莽和傲慢，惠勒覺(jué)得他需要證明他還不是所有物理領(lǐng)域的大師；2. 惠勒知道費(fèi)恩曼可以承受如此嚴(yán)厲的批評(píng)而不會(huì)遭受打擊。很顯然，這個(gè)教訓(xùn)讓他印象深刻，直到幾十年后費(fèi)恩曼想起來(lái)這件事仍然很委屈。
在晚年，惠勒以經(jīng)常提出怪異、瘋狂的想法而聞名。1971年的一天，在加州理工學(xué)院附近的漢堡大陸，我和惠勒還有費(fèi)恩曼共進(jìn)晚餐。茶余飯后，惠勒告訴費(fèi)恩曼和我他認(rèn)為物理定律是可變的：現(xiàn)有定律一定是在宇宙大爆炸的過(guò)程中產(chǎn)生的，當(dāng)然還有其他的宇宙，每個(gè)宇宙都有屬于自己的法則。“究竟是什么原理決定了這些法則出現(xiàn)在這個(gè)宇宙、那些法則出現(xiàn)在那個(gè)宇宙？”他問(wèn)到。
費(fèi)恩曼扭頭看向我說(shuō)到：“這家伙聽(tīng)起來(lái)瘋了。你們這代人不知道，他聽(tīng)起來(lái)總是這么瘋狂。但當(dāng)我還是他的學(xué)生的時(shí)候（三十多年以前），我發(fā)現(xiàn)，如果你接受了他的一個(gè)瘋狂的想法，然后像剝洋蔥一樣一層一層的剝開(kāi)這個(gè)想法，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)想法的核心是一個(gè)不容置疑的真理?！辟M(fèi)恩曼接著回憶了惠勒于1942年提出的關(guān)于正電子是電子的時(shí)間倒流的觀點(diǎn)，以及這種觀點(diǎn)在費(fèi)恩曼那個(gè)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的量子電動(dòng)力學(xué)公式中的重要性[3]。
弦論中允許存在天文數(shù)字的真空態(tài)，而今天弦論科學(xué)家試圖搞清楚哪種真空是我們的宇宙，而另外的真空則形成其他的宇宙。這是惠勒關(guān)于什么原理決定了哪些定律產(chǎn)生的問(wèn)題的具體變種，這一變種是通過(guò)長(zhǎng)達(dá)47年的量子引力的研究得出的。只是惠勒具有先見(jiàn)之明的一個(gè)例子——如今他的先見(jiàn)之明比在他事業(yè)的鼎盛時(shí)期更受贊賞。
約翰是大約50篇博士論文、50篇本科論文和40名博士后學(xué)生的主要導(dǎo)師[4]。他的指導(dǎo)技巧和效果非常顯著，所以我經(jīng)常模仿他的方式。
他非常善于鼓舞人心：1962年，我剛到普林斯頓讀研究生的時(shí)候，我的夢(mèng)想是和惠勒教授一起研究相對(duì)論，我便戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢的去敲他的門(mén)。他熱情并微笑著迎接我，把我領(lǐng)進(jìn)他的辦公室（仿佛我是他受人尊敬的同事，而不是一個(gè)菜鳥(niǎo)），然后立即開(kāi)始和我討論恒星在其生命終結(jié)時(shí)引力坍縮的奧秘。一個(gè)小時(shí)后，當(dāng)我走出他的辦公室時(shí)，我變成了他的信徒[5]。在接下來(lái)的十年里，我的大部分研究都涉及到了引力坍縮、引力坍縮形成的黑洞以及相關(guān)的課題。
約翰會(huì)為初學(xué)者提供細(xì)致的指導(dǎo)。他的關(guān)門(mén)弟子丹尼爾·霍爾茲（Daniel Holz）在惠勒去世的那天晚上寫(xiě)了一篇博客[6]：“（1990年，我是一個(gè)正在尋找畢業(yè)論文課題的本科生，）我溜達(dá)進(jìn)惠勒的辦公室，詢(xún)問(wèn)他有沒(méi)有一些課題可以讓我參與進(jìn)來(lái)。四個(gè)小時(shí)后，我搖搖晃晃地走出他的辦公室，手里抱滿(mǎn)了書(shū)，這是一個(gè)明了清晰的課題?！?/p>
羅伯特·杰洛克（Robert Geroch，20世紀(jì)60年代中期惠勒的博士生）描述了惠勒指導(dǎo)優(yōu)秀博士生風(fēng)格[7]：“惠勒富有大局觀。他強(qiáng)迫你向外看，眼界不要太小?！绻阆胫来鸢福f(shuō)，‘我們現(xiàn)在就可以給在巴黎的肖凱夫人（Madam Choquet）打電話(huà)。’‘如果你對(duì)專(zhuān)題X有興趣，我們最好讓羅伊·克爾（Roy Kerr）從德克薩斯州飛過(guò)來(lái)解釋一下?！瘎倓?cè)雽W(xué)的研究生總會(huì)有一種‘退縮’的心態(tài)，這是對(duì)大佬的敬畏。而約翰很擅長(zhǎng)打破這個(gè)?！被堇兆尳苈蹇寺?lián)系的同事中包括斯蒂芬·霍金（Stephen Hawking）和羅杰·彭羅斯（Roger Penrose），最終，杰洛克以學(xué)生之身，可能是那個(gè)時(shí)代繼他們之后這個(gè)領(lǐng)域的第三人，他們將微分拓?fù)浼夹g(shù)應(yīng)用于時(shí)空結(jié)構(gòu)中奇點(diǎn)的研究。
比爾·安魯（Bill Unruh）回憶道[8]：“我剛開(kāi)始做我的第一個(gè)研究課題時(shí)，有一些非常模糊的想法。有一天我同惠勒提起，他說(shuō)，‘我收到了在瑞士格瓦特舉行的一個(gè)研討會(huì)的邀請(qǐng)。你想跟我一起去展示你的結(jié)果嗎？’我很糾結(jié)，因?yàn)槲覜](méi)有任何結(jié)果要展示。隨后他說(shuō)，‘這樣，我來(lái)寫(xiě)封電報(bào)，’于是他寫(xiě)了一句話(huà)，‘可以邀請(qǐng)比爾·安魯做一個(gè)報(bào)告嗎？’他遞給我說(shuō)，‘請(qǐng)交給電報(bào)局?！遗腔擦藘扇齻€(gè)小時(shí)，我糾結(jié)我要不要發(fā)這封電報(bào)，因?yàn)槲乙坏┌l(fā)了，我就算是承諾做報(bào)告了。最終我選擇把電報(bào)發(fā)了出去，然后利用三個(gè)月的時(shí)間來(lái)得到一些可以展示的結(jié)果?！?/p>
約翰強(qiáng)烈渴望了解大自然的運(yùn)作方式。在1932年到1952年期間，同當(dāng)時(shí)的大多數(shù)物理學(xué)家一樣，他認(rèn)為基本粒子是大自然最基本的結(jié)構(gòu)，所以他專(zhuān)注于粒子物理學(xué)和核物理的研究，在相關(guān)方面，他為研究核武器投入了極大的聰明才智和精力。在1952年到1976年間，他專(zhuān)注于彎曲時(shí)空的研究，具體體現(xiàn)在愛(ài)因斯坦的相對(duì)論及其量子化上，這看上去是自然界最有可能的基石。從1976年開(kāi)始，他把精力放在了量子信息上，完成了這個(gè)領(lǐng)域幾乎是奠基式的工作。在這本回憶錄的剩余部分，我將描述約翰在不同領(lǐng)域中的一些研究和他給其他人提供的一些具有啟發(fā)性的想法。
粒子物理和核物理[9]
1927年，16歲的約翰來(lái)到了約翰·霍普金斯大學(xué)，大三那年他開(kāi)始了自己的研究生涯。1933年，他在卡爾·赫茲菲德的指導(dǎo)下獲得了博士學(xué)位。約翰在他的博士論文里，將當(dāng)時(shí)仍然很新穎的量子理論應(yīng)用于氦原子對(duì)光的散射和吸收問(wèn)題。在霍普金斯的第五年，詹姆斯·查德威克（James Chadwick）在英國(guó)發(fā)現(xiàn)了中子，核物理學(xué)誕生了。
在紐約大學(xué)做博士后的時(shí)候（1933年到1934年），約翰和他的導(dǎo)師格雷戈瑞·布雷特一起計(jì)算了光子的相互散射，這一過(guò)程直到63年后才在實(shí)驗(yàn)室被觀測(cè)到，因?yàn)槟菚r(shí)才有足夠強(qiáng)烈的激光可以供研究人員使用。他的第二期博士后是在哥本哈根跟尼爾斯·玻爾做的（1934年到1935年），這段時(shí)期他深受玻爾的影響，很大程度上幫助他鞏固了對(duì)物理學(xué)的理解和發(fā)展自己觀點(diǎn)。
1934年約翰·惠勒在哥本哈根跟隨波爾從事博士后研究
這些使得核物理成為他在北卡羅來(lái)納大學(xué)做助理教授的時(shí)候的主要研究方向（1935年-1937年）。在愛(ài)德華·泰勒（Edward Teller，他們?cè)诟绫竟鶗r(shí)成為了密友）的一個(gè)課題中，他開(kāi)創(chuàng)了對(duì)原子核轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)的研究。他獨(dú)自開(kāi)發(fā)了一種基于“共振基團(tuán)結(jié)構(gòu)”（后來(lái)被稱(chēng)為“集團(tuán)”）的原子核模型，這個(gè)模型處理波函數(shù)的時(shí)候把單獨(dú)的中子和質(zhì)子看成α粒子等團(tuán)塊。為了分析問(wèn)題，他還順手構(gòu)造了S矩陣（散射矩陣），在隨后的幾十年里，它成為粒子物理和核物理研究的重要工具。在北卡羅來(lái)納，他開(kāi)始了自己的導(dǎo)師生涯。他的第一個(gè)學(xué)生是后來(lái)在核物理領(lǐng)域舉得杰出成就的凱瑟琳·維（Katherine Way）。
1938年12月，約翰搬到普林斯頓后不久，奧托·哈恩（Otto Hahn）和弗里茨·斯特拉斯曼（Fritz Strassmann）在德國(guó)用慢中子轟擊鈾產(chǎn)生了核裂變，盡管他們并不知道原理。后來(lái)，奧托·弗里希（Otto Frisch）和利茲·邁特納（Lise Meitner）將其解釋為裂變產(chǎn)物。弗里希告訴玻爾，一定要把這個(gè)消息帶到大洋彼岸的普林斯頓。玻爾和惠勒詳細(xì)研究了喬治·伽莫夫（George Gamow）的核液滴模型，并用它發(fā)展了核裂變理論，這是惠勒學(xué)術(shù)生涯中最重要的論文之一。根據(jù)玻爾-惠勒理論，我們可以很容易地推斷出，通過(guò)慢中子轟擊引發(fā)核裂變的理想原子核是鈾235（哈恩和弗里茨無(wú)意中發(fā)現(xiàn)的）和钚239——這在當(dāng)時(shí)是未知的，因?yàn)轭械陌胨テ谔塘?，無(wú)法在自然界中找到。后來(lái)钚239通過(guò)人工合成大量生產(chǎn)，成為核反應(yīng)堆的基礎(chǔ)，從而用于制造第一顆原子彈（三位一體測(cè)驗(yàn)）。
第二次世界大戰(zhàn)和在原子彈上的投入中斷了約翰的部分學(xué)術(shù)生涯；隨后我們會(huì)談及。
戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后，由于對(duì)其他研究機(jī)構(gòu)（特別是加州理工的卡爾·安德森實(shí)驗(yàn)室）在宇宙射線(xiàn)實(shí)驗(yàn)上所取得的一些基本粒子的重大發(fā)現(xiàn)印象深刻，約翰提議、建立并領(lǐng)導(dǎo)了普林斯頓的宇宙射線(xiàn)實(shí)驗(yàn)室。
由于μ介子不與強(qiáng)核力耦合，使得它比別的大多數(shù)粒子簡(jiǎn)單得多，所以約翰迷上了μ介子（1947年的時(shí)候通過(guò)實(shí)驗(yàn)與π介子區(qū)分開(kāi)來(lái)）。借助在宇宙射線(xiàn)實(shí)驗(yàn)室和其他地方的觀測(cè)，他給出了強(qiáng)有力的證據(jù)，表明除了質(zhì)量以外，μ介子的性質(zhì)與電子的性質(zhì)完全相同。
他著重研究了一個(gè)電子被μ介子所取代的原子（μ介原子），發(fā)現(xiàn)它們不僅在原理上很有意思，而且因?yàn)棣探樽优c原子核的結(jié)合比它所取代的電子更緊密，可以更好地探測(cè)原子核性質(zhì)。因此，他在理論上詳細(xì)研究了μ介原子，并將理論與實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)結(jié)合起來(lái)，最終由W. K. Chang（這個(gè)人是誰(shuí)？詳見(jiàn)今日二條）在他的宇宙射線(xiàn)實(shí)驗(yàn)室中，發(fā)現(xiàn)了μ介原子中的μ介子從一個(gè)能級(jí)躍遷衰變到另一個(gè)能級(jí)時(shí)所發(fā)出的伽馬射線(xiàn)級(jí)聯(lián)。
1949年，約翰和他的學(xué)生杰米姆·蒂奧諾（Jayme Tiomno）共同確定了中子、μ介子和電子之間弱相互作用的普遍性：相似的弱耦合常數(shù)決定了中子的β衰變（形成質(zhì)子、電子和電子反中微子）、μ介子的β衰變（形成電子、電子反中微子和μ介子中微子），以及電荷交換反應(yīng)，其中μ介子被原子核俘獲，與質(zhì)子結(jié)合形成中子和μ介子中微子。蒂奧諾和惠勒繪制了一個(gè)可愛(ài)的三角來(lái)形象的描述這種關(guān)系，但由于這種普遍性是由吉奧皮特羅·普皮（Giampietro Puppi）發(fā)現(xiàn)的，所以最終被命名為“普皮三角”。
1949年秋，根據(jù)漢斯·詹森（Hans Jensen）和瑪麗亞·格佩特-梅耶（Maria Goeppert Mayer）對(duì)殼層模型的見(jiàn)解，約翰意識(shí)到，在大核中受液滴張力約束的單個(gè)核子可以在大軌道中繞著原子核的其他部分運(yùn)動(dòng)，從而使原子核發(fā)生大幅形變。他將這個(gè)想法及其關(guān)的定量分析寫(xiě)進(jìn)了一篇關(guān)于他與尼爾斯·玻爾以及大衛(wèi)·希爾（David Hill）共同撰寫(xiě)的主題更龐大的論文的手稿中。玻爾則一如既往地花了好幾個(gè)月的時(shí)間來(lái)修改這篇論文，以求盡善盡美。就在這段時(shí)間里，哥倫比亞大學(xué)的詹姆斯·雷恩沃特（James Rainwater）有了和約翰相同的見(jiàn)解，這也使得雷恩沃特獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。對(duì)于這件事，惠勒曾經(jīng)寫(xiě)道[10]：“……我吸取了教訓(xùn)。當(dāng)一個(gè)人發(fā)現(xiàn)了一些重要的事情時(shí)，最好及時(shí)地發(fā)表它，而不是等著把它納入更宏偉的計(jì)劃中。對(duì)于一個(gè)哲學(xué)家來(lái)說(shuō)，等待所有的零件準(zhǔn)備就緒再組裝也許是可以的，但是對(duì)于一個(gè)物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這是不明智的?！钡麤](méi)有責(zé)怪玻爾，一點(diǎn)也沒(méi)有。他和玻爾有著很深厚的感情。他只是責(zé)怪自己。
到了20世紀(jì)40年代初，約翰已經(jīng)計(jì)劃并開(kāi)始探索自然的最深層次。他最初希望所有物質(zhì)的基本組成部分都是粒子。有一段時(shí)間，不知怎的，他推測(cè)，也許宇宙中的一切都是由電子和正電子構(gòu)成的。然而他在這個(gè)領(lǐng)域里所取得的成功正是對(duì)由它們構(gòu)成的一個(gè)幾乎無(wú)窮無(wú)盡的短命“原子”家族的預(yù)測(cè)和理論，他稱(chēng)之為“聚電子”。其中，最簡(jiǎn)單的正電子（一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子）和正電子離子（兩個(gè)電子和一個(gè)正電子）在實(shí)驗(yàn)室中被創(chuàng)造出來(lái)，并與他的理論進(jìn)行了對(duì)比。
在費(fèi)恩曼的幫助下，約翰取得了更大的成功，他完全去除了經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)中的場(chǎng)，使其成為一種僅僅基于粒子的理論。他們把一個(gè)粒子對(duì)另一個(gè)粒子的直接超距作用的萊納德-威切特（Lienard-Weichert）力寫(xiě)成了一半推遲力加上一半超前力。這是時(shí)間對(duì)稱(chēng)的，將會(huì)導(dǎo)致：1. 粒子自身沒(méi)有相互作用，因此沒(méi)有無(wú)限的自身能量可以進(jìn)行重整；2. 產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)輻射反作用力，這是在無(wú)輻射場(chǎng)中，由被加速的粒子與宇宙中所有其他帶電粒子的相互作用產(chǎn)生的（起著吸收劑的作用）。這種無(wú)場(chǎng)理論的構(gòu)想來(lái)自于費(fèi)恩曼。但正如費(fèi)恩曼在諾貝爾獎(jiǎng)演講中介紹的那樣，惠勒提出了使之真正發(fā)揮作用的重要觀點(diǎn)[2]。
這種無(wú)場(chǎng)經(jīng)典理論成為費(fèi)恩曼的量子電動(dòng)力學(xué)公式的基礎(chǔ)，但這不是惠勒的純粒子之夢(mèng)。這是一條死胡同。幾年之后，惠勒放棄了自己的純粒子之夢(mèng)，轉(zhuǎn)而研究純場(chǎng)，尤其是廣義相對(duì)論中的相對(duì)論引力場(chǎng)或時(shí)空曲率。我要先轉(zhuǎn)移一下話(huà)題，過(guò)會(huì)我們?cè)倭倪@件事。
核武器
在日本偷襲珍珠港后不久，約翰全力投入到了美國(guó)對(duì)原子彈的研制中。1942年1月，他加入了亞瑟·康普敦（Arthur Compton）在芝加哥大學(xué)的“冶金實(shí)驗(yàn)室”，投身到了世界第一座核反應(yīng)堆的建設(shè)中來(lái)。他們目的是通過(guò)核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)來(lái)探索钚239的生產(chǎn)。到了1943年3月，康普敦任命他為杜邦公司項(xiàng)目的聯(lián)絡(luò)科學(xué)家，負(fù)責(zé)在華盛頓州的漢福德設(shè)計(jì)并建造第一座大規(guī)模钚生產(chǎn)反應(yīng)堆。約翰極力主張一種保守的設(shè)計(jì)方案，這種設(shè)計(jì)可能會(huì)在裂變過(guò)程中形成某種具有很大慢中子吸收截面的原子核，從而毒害鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（Neutron poison，中子毒物）——最后確實(shí)發(fā)生了這種情況。
1944年10月25日，中子毒物發(fā)現(xiàn)一個(gè)月后，約翰的兄弟喬（Joe）在軍事行動(dòng)中犧牲在了意大利。約翰和喬的關(guān)系很好，他備受打擊。從那以后，他無(wú)法原諒自己未能讓原子彈的研究提前一兩年完成。他推斷，這也許可以更早的制造一枚原子彈，從而在喬和其他幾百萬(wàn)人喪生之前結(jié)束戰(zhàn)爭(zhēng)。這件事使約翰的余生背上了沉重的心理負(fù)擔(dān)，我認(rèn)為這在很大程度上使他在國(guó)防和政治問(wèn)題上持保守主義。喬去世后，約翰倍加努力，在原子彈研究方面比以往任何時(shí)候都更加努力。當(dāng)原子彈最終先后落在廣島和長(zhǎng)崎，伴隨著可怕的平民傷亡，戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束了。相比于羅伯特·奧本海默（Robert Oppenheimer）和其他許多參與原子彈研制的物理學(xué)家，約翰沒(méi)有任何顧慮。
戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后，約翰回歸基礎(chǔ)物理學(xué)，直到1949年8月蘇聯(lián)進(jìn)行它的第一顆原子彈的實(shí)驗(yàn)。對(duì)此，美國(guó)人的反應(yīng)是恐慌、挖防空洞和進(jìn)行原子彈演習(xí)，即使是在猶他州農(nóng)村的小學(xué)里。蘇聯(lián)的原子彈實(shí)驗(yàn)使泰勒開(kāi)始著手準(zhǔn)備應(yīng)急計(jì)劃——研究氫彈。奧本海默反對(duì)，約翰支持，杜魯門(mén)（Truman）總統(tǒng)下令開(kāi)始。在洛斯阿拉莫斯的實(shí)驗(yàn)室里，約翰和泰勒開(kāi)始進(jìn)行氫彈的設(shè)計(jì)。一年后，當(dāng)泰勒和斯塔尼斯拉夫·烏拉姆（Stanislaw Ulam）的一項(xiàng)創(chuàng)新使氫彈不再是天方夜譚的時(shí)候，約翰在普林斯頓開(kāi)始了衛(wèi)星炸彈的設(shè)計(jì)項(xiàng)目[11]，這個(gè)項(xiàng)目獨(dú)立于洛斯阿拉莫斯的其他設(shè)計(jì)（盡管兩邊經(jīng)常進(jìn)行交流）；與此同時(shí)，蘇聯(lián)的物理學(xué)家們也在進(jìn)行雙軌研究。
約翰試圖讓大佬級(jí)別的物理學(xué)家加入到設(shè)計(jì)工作中，但他失敗了，所以他召集了一群研究生和博士后在他的指導(dǎo)下進(jìn)行這項(xiàng)工作。正如他團(tuán)隊(duì)里的肯·福特（Ken Ford）描述的那樣，約翰“將已知或猜測(cè)的反應(yīng)速率和極端物質(zhì)的性質(zhì)簡(jiǎn)化為一組耦合微分方程，這些方程可以利用當(dāng)時(shí)可以使用的計(jì)算機(jī)（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的SEAC計(jì)算機(jī)，其總存儲(chǔ)容量小于3千字節(jié)）進(jìn)行數(shù)值計(jì)算?！奔s翰的學(xué)生和博士后用這些方程對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行了編程，以進(jìn)行泰勒·烏拉姆構(gòu)型的第一次測(cè)試。（他們?cè)缙谠谝慌_(tái)更原始的計(jì)算機(jī)上取得的可信度比較高的的數(shù)值結(jié)果，在1951年6月說(shuō)服原子能委員會(huì)的總咨詢(xún)委員會(huì)提出發(fā)展建議方面發(fā)揮了重要作用。）1952年，借助SEAC的幫助，約翰的團(tuán)隊(duì)在30%的精度內(nèi)成功預(yù)測(cè)了第一次熱核試驗(yàn)炸彈的當(dāng)量，這次核試驗(yàn)代號(hào)為邁克（Mike）。
在蘇聯(lián)，是由安德烈·薩哈羅夫（Andrei Sakharov）和雅可夫·鮑里索維奇·澤爾多維奇（Yakov Borisovich Zel'dovich）得到了與泰勒-烏拉姆構(gòu)型類(lèi)似的主意，這使得蘇聯(lián)開(kāi)始了氫彈的研制。幾年之后，惠勒，薩哈羅夫，還有澤爾多維奇，他們都進(jìn)入了相對(duì)論天體物理的領(lǐng)域。1969年，在蘇聯(lián)格魯吉亞第比利斯舉行的相對(duì)論會(huì)議上，我發(fā)現(xiàn)自己和他們?nèi)送幰婚g酒店房間。在那里看到這三位“冷戰(zhàn)”物理學(xué)家彼此之間的友誼和互相之間深深的尊重令人印象深刻。
廣義相對(duì)論和量子引力
1952年，在邁克熱核試驗(yàn)進(jìn)行前的幾個(gè)月里，約翰眼看著他的武器設(shè)計(jì)工作接近尾聲，于是計(jì)劃教授一年的相對(duì)論課程。這是普林斯頓大學(xué)自1941年以來(lái)開(kāi)設(shè)的第一門(mén)相對(duì)論課程——在那個(gè)核物理鼎盛的時(shí)代里，相對(duì)論的地位在很大程度上已經(jīng)一落千丈。約翰認(rèn)為相對(duì)論是一門(mén)已經(jīng)經(jīng)歷了嚴(yán)密論證的成熟學(xué)科、一門(mén)“太重要了，所以不能讓數(shù)學(xué)家捷足先登”的學(xué)科。也許，只是也許，彎曲時(shí)空會(huì)成為萬(wàn)物的終極基礎(chǔ)。因此，他渴望開(kāi)設(shè)一門(mén)相對(duì)論課程，他常說(shuō)：“如果你想學(xué)習(xí)某個(gè)東西，就去給別人上這門(mén)課?！?/p>
在接下來(lái)的幾年里，約翰對(duì)相對(duì)論有了獨(dú)到見(jiàn)解：他的一種觀點(diǎn)是，彎曲時(shí)空是根本，曲面與世界線(xiàn)是圖像，微分幾何是直覺(jué)。查爾斯·米斯納（Charles Misner）和我作為約翰的學(xué)生，從他那里了解了這種觀點(diǎn)。這個(gè)觀點(diǎn)在1973年被寫(xiě)進(jìn)了我們?nèi)齻€(gè)合著的一本名為《引力》的教材。幾乎與此同時(shí)，斯蒂芬·溫伯格（Steven Weinberg）在他寫(xiě)的教材《引力論與宇宙論》中講述了廣義相對(duì)論中的一種場(chǎng)論觀點(diǎn)?；堇盏奈⒎謳缀斡^點(diǎn)主導(dǎo)了對(duì)經(jīng)典廣義相對(duì)論的研究；而溫伯格的場(chǎng)論觀點(diǎn)則主導(dǎo)了現(xiàn)代宇宙學(xué)的大部分研究。
到了1956年，約翰已經(jīng)在相對(duì)論中發(fā)現(xiàn)了大量有意思的研究課題。在隨后的幾年里，他才思泉涌，他和他的學(xué)生、博士后以及同事們的課題多點(diǎn)開(kāi)花。從1963年的時(shí)候，約翰在法國(guó)萊蘇什的一次物理暑期學(xué)校的演講中，人們可以了解到他思想的豐富多彩[12]。
1971年夏，約翰·惠勒在劍橋天文研究所的會(huì)議上給同事們開(kāi)講座。約翰的風(fēng)格是在講座開(kāi)始之前用彩色粉筆將一塊巨大的黑板寫(xiě)滿(mǎn)，然后順著板書(shū)的思路開(kāi)始他的講座。
到20世紀(jì)70年代初，約翰在普林斯頓的研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)展到大約15人（當(dāng)時(shí)理論小組的人數(shù)異常龐大），正如比爾·安魯回憶的那樣，“惠勒本人啟發(fā)了研究小組中的大多數(shù)人?！蓖瑯邮窃?0世紀(jì)70年代初，相對(duì)論已成為物理學(xué)的一個(gè)重要分支，并正在邁進(jìn)它的黃金時(shí)代，這在很大程度上歸功于約翰及其弟子們的理論研究，也多虧了類(lèi)星體、脈沖星和致密X射線(xiàn)源的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)（這些天體的能量均來(lái)源于黑洞或中子星）以及宇宙大爆炸引起的宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)。
約翰對(duì)相對(duì)論的興趣始于1951年1月，當(dāng)時(shí)他看了羅伯特·奧本海默和學(xué)生喬治·伏爾科夫（George Volkoff）在1938年到1939年期間寫(xiě)的關(guān)于中子星的著作，以及奧本海默和他的學(xué)生哈特蘭·施耐德（Hartland Snyder）關(guān)于一顆大質(zhì)量恒星坍縮的工作——他們發(fā)現(xiàn)，這會(huì)導(dǎo)致恒星“與宇宙其他部分分離”，并在其中心形成一個(gè)密度大的奇點(diǎn)，也就是說(shuō)，會(huì)形成17后年后約翰稱(chēng)之為“黑洞”的那種天體。自然而然，約翰最早的一些課題是建立在奧本海默的研究基礎(chǔ)上的。
在他的學(xué)生肯特·哈里森（Kent Harrison）和博士后若野雅美（Masami Wakano）的幫助下，約翰提出：“不同質(zhì)量恒星的熱核演化的終點(diǎn)是什么？”他們對(duì)所有可能的終點(diǎn)對(duì)象進(jìn)行了分類(lèi)：中心密度增大的連續(xù)族，從由鐵56構(gòu)成的中心密度高達(dá)2.5×108g/cm3的白矮星，到中等密度的不穩(wěn)定物體，再到密度約為3×1013~6×1015g/cm3的中子星，最后變成密度趨于無(wú)窮的不穩(wěn)定物體。這有利于奧本海默和施耐德關(guān)于大質(zhì)量恒星一定會(huì)發(fā)生引力坍縮的結(jié)論。
約翰對(duì)奧本海默-施耐德關(guān)于引力坍縮的結(jié)論持高度懷疑態(tài)度。他特別關(guān)注那個(gè)被預(yù)言在球體邊界的深處（今天我們稱(chēng)之為視界面）形成的奇點(diǎn)（具有無(wú)限大的密度和無(wú)窮大的時(shí)空曲率）。他認(rèn)為，在那個(gè)地方，經(jīng)典廣義相對(duì)論的定律一定會(huì)被打破，并被由廣義相對(duì)論和量子理論“火熱結(jié)合”而產(chǎn)生的量子引力定律所取代。這一奇點(diǎn)和大質(zhì)量恒星最終歸宿的問(wèn)題，是他和他的學(xué)生們研究的一個(gè)主要焦點(diǎn)。
1958年6月，在索爾維會(huì)議上[13]，約翰認(rèn)為目前在物理上對(duì)奇點(diǎn)的預(yù)測(cè)是不合理的，并推測(cè)了引力坍縮的真正的最終狀態(tài)：“……除非假設(shè)處于高度壓縮質(zhì)量中心（奇點(diǎn)所處位置）的核子會(huì)被轉(zhuǎn)化成輻射，否則很顯然核子是無(wú)法逃逸的……使核子總數(shù)不超過(guò)某一臨界值的比率或數(shù)目（因此最終歸宿也許會(huì)是一顆中子星）。”奧本海默當(dāng)時(shí)也在現(xiàn)場(chǎng)，但他沒(méi)有被說(shuō)服。幾年后，在大衛(wèi)·夏普的幫助下，我說(shuō)服了約翰不要把這個(gè)看似很離譜的推測(cè)寫(xiě)在我們合著的一本書(shū)中[14]，盡管在別的地方，他繼續(xù)堅(jiān)持自己的推測(cè)。
然后過(guò)了幾年，斯蒂芬·霍金發(fā)現(xiàn)黑洞會(huì)發(fā)出霍金輻射——一種非常像約翰推測(cè)的那樣的輻射形式。當(dāng)時(shí)霍金和約翰曾經(jīng)的博士后詹姆斯·哈特爾（James Hartle）一起描述出了霍金輻射的推導(dǎo)過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，恒星內(nèi)的奇點(diǎn)以某種類(lèi)似于約翰所推測(cè)的方式參與了輻射的產(chǎn)生[15]，我開(kāi)始后悔我拼命阻止約翰的瘋狂想法，并開(kāi)始欣賞他的先見(jiàn)之明。
到了1962年，約翰的助手清晰明了的闡明了奧本海默-施耐德的計(jì)算中所發(fā)生的事情：視界面形成于球體的邊界，將內(nèi)部遮擋在視界之外；隨后在1968年，約翰提出了“黑洞”這個(gè)詞來(lái)描述這種物體。但是對(duì)于約翰來(lái)說(shuō)，隱藏在視界面內(nèi)的奇點(diǎn)的最終狀態(tài)仍然是問(wèn)題的關(guān)鍵所在，這激發(fā)了他隨后在量子引力方面的許多工作；見(jiàn)下文。
在20世紀(jì)60年代末和70年代，約翰和身邊的人把焦點(diǎn)放在了黑洞物理學(xué)上。他們尤其關(guān)注黑洞在小擾動(dòng)下是否穩(wěn)定。為此，我們要回顧一下約翰和他的學(xué)生圖里奧·雷吉（Tullio Regge）在1957年做的一項(xiàng)具有開(kāi)創(chuàng)性的關(guān)于穩(wěn)定性分析的工作。1957年，人們對(duì)視界面還不了解，所以雷吉和惠勒還不清楚應(yīng)該在他們的方程上施加什么樣的內(nèi)邊界條件。在20世紀(jì)60年代末，這個(gè)問(wèn)題一被解決，查爾斯·米斯納的學(xué)生維什瓦什瓦（C. V. Vishveshwara）便立刻完成了雷吉-惠勒分析，證明了非旋轉(zhuǎn)黑洞是穩(wěn)定的。而旋轉(zhuǎn)黑洞的穩(wěn)定性也很快被我的學(xué)生索爾·圖科斯基（Saul Teukolsky）和比爾·普雷斯（Bill Press）所證明，借鑒了雷吉-惠勒分析的方式。
1970年，斯蒂芬·霍金推斷，在任何過(guò)程中，包括高度動(dòng)態(tài)過(guò)程，所有具有相互作用的黑洞的表面積之和都一定是增加的?；艚鸷芮宄?，這使得黑洞的表面積與熵的性質(zhì)類(lèi)似，但他非常懷疑兩者之間是否存在聯(lián)系。相比之下，約翰的學(xué)生雅各布·貝肯斯坦（Jacob Bekenstein）非?？隙ê诙吹谋砻娣e是偽裝的熵，在約翰的大力支持下，他對(duì)此進(jìn)行了強(qiáng)有力的半定量分析：“這太瘋狂了，”約翰說(shuō)。約翰很喜歡引用格特魯?shù)隆に固┮颍℅ertrude Stein）的一句話(huà)，“它看起來(lái)很奇怪，看起來(lái)很奇怪，看起來(lái)很奇怪，然后突然它看起來(lái)一點(diǎn)也不奇怪，你不知道是什么讓它看起來(lái)很奇怪?！碑?dāng)霍金通過(guò)量子理論發(fā)現(xiàn)黑洞可以發(fā)出輻射時(shí)，他改變了自己的看法，擁抱了黑洞的貝肯斯坦熵，并進(jìn)行深入研究使它成為自己研究的焦點(diǎn)之一。
20世紀(jì)50年代中期，約翰的身邊中有一位名叫約瑟夫·韋伯（Joseph Weber）的年輕電氣工程師，他最近剛剛被聘為馬里蘭大學(xué)帕克分校的教員。約翰對(duì)韋伯表現(xiàn)出的對(duì)相對(duì)論的興趣給予了鼓勵(lì)，他們一起從數(shù)學(xué)上探討了愛(ài)因斯坦方程對(duì)圓柱形引力波的精確解，發(fā)現(xiàn)這種波是一種物理現(xiàn)象，而不僅僅是數(shù)學(xué)上的虛構(gòu)。（當(dāng)時(shí)有很多人懷疑這個(gè)波的物理意義。）與約翰的這次合作在韋伯開(kāi)始他對(duì)天體物理中的宇宙引力波的實(shí)驗(yàn)探索中起了重要作用，約翰非常鼓勵(lì)這個(gè)探索項(xiàng)目，因此他后來(lái)也鼓勵(lì)我和我在LIGO的同事進(jìn)行我們后來(lái)的探索，并最終成功。
雖然約翰對(duì)相對(duì)論的研究集中在理論上，但他也非常關(guān)注觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)。1966年，當(dāng)被要求寫(xiě)一篇關(guān)于中子星（當(dāng)時(shí)還沒(méi)有被觀測(cè)到）理論的評(píng)論文章時(shí)，他選擇在文章中加入一個(gè)關(guān)于如何首先發(fā)現(xiàn)它們的理論預(yù)測(cè)?！稗D(zhuǎn)動(dòng)能（中子星中心）似乎還沒(méi)有被當(dāng)成一種能源來(lái)進(jìn)行研究（對(duì)于蟹狀星云來(lái)說(shuō)），”他說(shuō)[16]，“大概只有當(dāng)中子星的剩余磁場(chǎng)與周?chē)碾x子云耦合的很好時(shí)，這個(gè)機(jī)制才有效?！边@一點(diǎn)和弗蘭科·帕齊尼（Franco Pacini）在一年后提出的一個(gè)類(lèi)似但更為詳細(xì)的論點(diǎn)[17]相似，在1967年發(fā)現(xiàn)脈沖星之前，這是有史以來(lái)對(duì)蟹狀星云的能量來(lái)源最接近正確答案的解釋。
在研究廣義相對(duì)論的早期，約翰對(duì)他所謂的幾何動(dòng)力學(xué)很感興趣：時(shí)空的幾何動(dòng)力學(xué)，特別是在真空中，沒(méi)有任何物質(zhì)可以使問(wèn)題復(fù)雜化。
約翰研究的第一個(gè)幾何動(dòng)力學(xué)的課題是電磁波的環(huán)形和球形結(jié)構(gòu)，這些電磁波被引力和時(shí)空曲率產(chǎn)生的波的能量連接（限制）在一起。他把這些稱(chēng)作幾何子，并在廣義相對(duì)論中引入了一個(gè)二長(zhǎng)尺度展開(kāi)和自洽場(chǎng)近似來(lái)分析它們。約翰的博士生迪特爾·布里爾（Dieter Brill）和布里爾的學(xué)生詹姆斯·哈特爾一起利用這種方法來(lái)分析幾何子，其中電磁波被引力波取代，所以整個(gè)幾何子是愛(ài)因斯坦方程在真空中的（近似）解：真空幾何動(dòng)力學(xué)。
約翰希望像質(zhì)子這樣的基本粒子也許最終會(huì)是量子引力中的幾何子的類(lèi)似物，但是在這方面他并沒(méi)有取得相關(guān)進(jìn)展。他的經(jīng)典的引力電磁子的結(jié)果是不穩(wěn)定的，既有波從實(shí)體中泄漏出來(lái)，也有集體的徑向運(yùn)動(dòng)模式。然而，十年后，米斯納的學(xué)生理查德·艾薩克森（Richard Isaacson）利用約翰和布里爾以及哈特爾引入的一種數(shù)學(xué)手段對(duì)一般引力波攜帶的能量和動(dòng)量進(jìn)行了嚴(yán)格的定義，并以精確的方式分析了波的產(chǎn)生和在一般情況下的大尺度時(shí)空曲率中的相互作用。這是約翰對(duì)后續(xù)研究具有的影響力的一個(gè)例子。
另一個(gè)例子是約翰和他的學(xué)生理查德·林奎斯特（Richard Lindquist）在1957年對(duì)真空中的封閉宇宙的幾何動(dòng)力學(xué)進(jìn)行的巧妙分析，這個(gè)宇宙是由大量的黑洞之間的引力相互作用而形成的。林奎斯特和惠勒發(fā)現(xiàn)，宇宙膨脹和再收縮的動(dòng)力學(xué)與弗里德曼（Friedman）模型中充滿(mǎn)塵埃而非黑洞的宇宙幾乎相同。他們推斷，隨著黑洞數(shù)量的減少，這種差異會(huì)變得越來(lái)越大。
對(duì)我來(lái)說(shuō)，這是一件特別有趣的事，因?yàn)榧s翰第一次嘗試探索大尺度引力場(chǎng)（時(shí)空曲率）中一個(gè)小的、強(qiáng)引力物體（黑洞）的運(yùn)動(dòng)。在約翰的下一次迭代計(jì)算中，約翰和他的學(xué)生弗雷德·馬納賽（Fred Manasse）根據(jù)米斯納的建議，將匹配的漸近展開(kāi)引入廣義相對(duì)論中，以獲得更好、更嚴(yán)密的精確解。20年后，詹姆斯·哈特爾和我探索致密星的旋轉(zhuǎn)和非球性（包括旋轉(zhuǎn)黑洞），當(dāng)它們與時(shí)空曲率耦合時(shí)，我們用相同的方法來(lái)修改物體的運(yùn)動(dòng)和進(jìn)動(dòng)。
體現(xiàn)約翰影響力的另一個(gè)例子是數(shù)值相對(duì)論[18]。約翰從一開(kāi)始就認(rèn)識(shí)到，用解析的方法探索一般的幾何動(dòng)力學(xué)將非常困難，而且很可能是完全不可能的，愛(ài)因斯坦的方程太非線(xiàn)性了。因此，隨著他的團(tuán)隊(duì)最近剛剛完成第一次熱核試驗(yàn)的數(shù)值模擬，他開(kāi)始敦促他身邊的人進(jìn)行類(lèi)似的幾何動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬。
1959年，米斯納與理查德·阿諾維特（Richard Arnowitt）、斯坦利·戴瑟（Stanley Deser）一起對(duì)愛(ài)因斯坦方程進(jìn)行了重新表述，將時(shí)空分為空間加時(shí)間，這對(duì)于數(shù)值相對(duì)論來(lái)說(shuō)是理想的選擇。ADM公式具有初值（約束）方程和動(dòng)力學(xué)方程（ADM分別是阿諾維特、戴瑟、米斯納名字的首字母）。1960年，米斯納解出了約束方程，得到了兩個(gè)暫時(shí)靜止的黑洞的數(shù)學(xué)描述，然后林奎斯特和IBM的計(jì)算機(jī)科學(xué)家蘇珊·哈恩（Susan Hahn）一起，用數(shù)值方法解出了演化方程，從而觀察到了黑洞之間的相互墜落。不幸的是，這些黑洞洞的實(shí)際碰撞超出了哈恩-林奎斯特代碼和計(jì)算機(jī)的能力。直到20年后，拉里·斯馬爾（Larry Smarr）和肯尼斯·艾普利（Kenneth Eppley）才重新做了全面的數(shù)值模擬。如今，數(shù)值相對(duì)論在年輕人手中成為分析LIGO引力波探測(cè)器的數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，并且正被用于探索一般情況下的幾何動(dòng)力學(xué)[19]，來(lái)驗(yàn)證John提出的、現(xiàn)在已有60年歷史的觀點(diǎn)。
約翰和他身邊的人憑借對(duì)最終狀態(tài)（黑洞內(nèi)的奇點(diǎn)）的好奇，以及約翰對(duì)物理學(xué)最深處奧秘的渴求，開(kāi)始探索量子引力。
約翰在量子引力領(lǐng)域的第一次嘗試始于他在1957年發(fā)表的題為“量子幾何動(dòng)力學(xué)”的論文[20]，他在文中對(duì)廣義相對(duì)論與量子理論的火熱結(jié)合而可能產(chǎn)生的物理現(xiàn)象進(jìn)行了有根據(jù)的猜測(cè)。最重要的是，他將普朗克長(zhǎng)度確定為量子引力效應(yīng)的特征尺度，他認(rèn)為在這個(gè)范圍內(nèi)，空間應(yīng)該會(huì)出現(xiàn)量子泡沫：一種具有隨機(jī)波動(dòng)的曲率和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的泡沫，包括微觀蟲(chóng)洞——空間結(jié)構(gòu)中的瓶頸。這一想法最早由赫爾曼·維爾（Hermann Weyl）在1924年提出，并在20世紀(jì)50年代和60年代初由約翰及其身邊的人進(jìn)行了深入研究。
在20世紀(jì)60年代早期，當(dāng)我還是約翰的研究生時(shí)，布萊斯·德威特（Bryce DeWitt）經(jīng)常從北卡羅萊納來(lái)普林斯頓進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，與約翰就量子引力問(wèn)題進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的討論。我旁聽(tīng)了這些討論，但我只理解了一半，我根本想不通。這些討論使他們把量子引力理論的基本思想統(tǒng)一了起來(lái)：一個(gè)被定義在三維幾何體的類(lèi)空間的超空間上的波函數(shù)和一個(gè)方程——后來(lái)被命名為惠勒-德威特方程——它決定了波函數(shù)。德威特從那以后便開(kāi)始詳細(xì)地研究這一理論[21]?；艚鸷推渌艘查_(kāi)始利用這一理論來(lái)探索量子引力，但是直到今天，這也只能算是量子引力理論中看起來(lái)比較靠譜的一種。
量子信息
1976年搬到德克薩斯州之后，約翰把他的研究焦點(diǎn)從相對(duì)論轉(zhuǎn)到了量子物理中的測(cè)量。這是一個(gè)古老的主題，玻爾和愛(ài)因斯坦（Einstein）在20世紀(jì)30年代曾圍繞這個(gè)話(huà)題展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，但是到了1976年它已成為一潭死水。約翰對(duì)量子測(cè)量的興趣可以追溯到1934年到1935年間他在玻爾那里做博士后的經(jīng)歷，但只有來(lái)到德克薩斯州以后，他才投入其中。
約翰在德克薩斯州招了一群學(xué)生，博士后和教職人員，就像他以前在普林斯頓的團(tuán)隊(duì)一樣。他和他身邊的人開(kāi)始了為期兩年的量子測(cè)量課程，他們認(rèn)真查閱了之前的各種著作。他當(dāng)時(shí)的一名研究生沃伊切納·祖瑞克（Wojciech Zurek）回憶道：“那門(mén)課……經(jīng)常變成一個(gè)研討會(huì)，訪(fǎng)問(wèn)者和學(xué)生介紹他們的研究或有趣的新論文。”那門(mén)課的閱讀資料由惠勒和祖瑞克整理之后出版[22]，變成了公共資源。隨著惠勒的團(tuán)隊(duì)和其他研究人員開(kāi)始振興量子測(cè)量和量子物理學(xué)相關(guān)領(lǐng)域，一個(gè)新的領(lǐng)域——量子信息誕生了。
回顧過(guò)去，祖瑞克這樣評(píng)價(jià)約翰的影響[23]：“回首惠勒在德州的十年時(shí)光，許多量子信息科學(xué)家現(xiàn)在把他和IBM的羅爾夫·蘭道爾（Rolf Landauer）視為他們研究領(lǐng)域的鼻祖。然而，這并不是因?yàn)榛堇瞻l(fā)表了關(guān)于量子信息的開(kāi)創(chuàng)性研究論文。他沒(méi)有，只是一次重大的意外，那就是他的延遲選擇實(shí)驗(yàn)……當(dāng)然，他的作用是從激進(jìn)保守的觀點(diǎn)提出深層次的問(wèn)題，并通過(guò)他的問(wèn)題啟發(fā)他人的研究和發(fā)現(xiàn)?！?/p>
祖瑞克和研究生威廉·沃特斯（William Wooters）在約翰的影響下于1982年提出并證明了一個(gè)未知（未測(cè)量的）量子態(tài)不能被克隆的定理，這些人都深受約翰影響。還有一個(gè)博士后大衛(wèi)·多伊奇（David Deutsch），他在搬到牛津后，于1985年提出并證明了通用量子計(jì)算機(jī)（量子圖靈機(jī)）的可能性：一種能利用至多在額外的時(shí)間尺度的多項(xiàng)式減速來(lái)模擬其他量子計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算機(jī)。第四位是德克薩斯州的助理教授（1979-1985）杰夫·金布爾（Jeff Kimble），他在量子光學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行了一些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生并測(cè)量了新的非經(jīng)典光態(tài)，如光子反聚束態(tài)和壓縮態(tài)。后來(lái)，在加州理工，他為L(zhǎng)IGO的引力波探測(cè)器的量子非軟化技術(shù)做出了至關(guān)重要的貢獻(xiàn)。
約翰對(duì)量子測(cè)量的觀點(diǎn)是對(duì)玻爾體現(xiàn)在量子力學(xué)的哥本哈根詮釋中的觀點(diǎn)的闡述。約翰堅(jiān)持認(rèn)為，（理想的）量子測(cè)量的中心思想應(yīng)該是“不確定性到確定性的坍塌”，這體現(xiàn)在波函數(shù)的坍縮中。他用他的延遲選擇實(shí)驗(yàn)從概念上探討了這種坍縮，這是一種思想實(shí)驗(yàn)，在這種實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)者對(duì)要測(cè)量的內(nèi)容的選擇可以被視為影響被測(cè)量系統(tǒng)的過(guò)去的歷史，甚至可以將其從量子意義上的不確定轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)典意義上的確定。
約翰從一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的“馬赫-正德?tīng)枴保∕ach-Zender）干涉實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，不過(guò)用的是單光子：?jiǎn)喂庾硬ò牧孔討B(tài)被一個(gè)分束器分成兩部分，由另一個(gè)分束器重新組合，然后通過(guò)第二個(gè)分束器的一個(gè)或另一個(gè)輸出端口處的光電探測(cè)器來(lái)檢測(cè)（測(cè)量）光子。如果分路器之間的路徑長(zhǎng)度相等，并且存在第二個(gè)分路器，那么復(fù)合波包的干涉會(huì)導(dǎo)致每個(gè)光子僅在一個(gè)輸出端口被檢測(cè)到。隨后，我們知道，從第一個(gè)分路器中產(chǎn)生的光子沿著兩條路徑走，并受到干涉，使得一個(gè)輸出端口始終亮著，另一個(gè)始終保持黑暗。另一方面，如果第二個(gè)分光器不存在，那么測(cè)量到的光子在兩個(gè)端口之間均勻分布，告訴我們每個(gè)光子都隨機(jī)選擇要走的路，然后只沿這條路走：引導(dǎo)它到達(dá)檢測(cè)到它的輸出端口的唯一路徑。選擇要測(cè)量的路徑（是否包括第二個(gè)分路器）決定了光子所遵循的路徑：兩者都是，或者只有一個(gè)。
約翰通過(guò)（概念上）在波包經(jīng)過(guò)第一個(gè)分路器后插入或移除第二個(gè)分路器，把它變成了一個(gè)“延遲選擇”實(shí)驗(yàn)。隨后，測(cè)量的選擇（第二個(gè)分路器或沒(méi)有第二個(gè)分路器）可以被視為進(jìn)入過(guò)去并確定光子所遵循的路徑：一條或兩條。（在約翰構(gòu)思了這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)后過(guò)了幾年，威廉·威克斯（William Wickes）、卡羅爾·艾利（Caroll Alley）和奧列格·雅庫(kù)博維奇（Oleg Jakubowicz）實(shí)際上在馬里蘭大學(xué)進(jìn)行了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果正如約翰所預(yù)料的那樣[24]）
這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)使約翰推測(cè)宇宙可能是一條“自激回路”——一個(gè)其存在和歷史是由測(cè)量決定的系統(tǒng)，其中許多測(cè)量是在其形成很久之后形成的。（約翰急忙補(bǔ)充說(shuō)，在這一點(diǎn)上，以及在玻爾看來(lái)，意識(shí)不需要智慧的生命。每一個(gè)測(cè)量“都是不可逆的行為，在這種行為中，不確定性會(huì)坍縮為確定性……在經(jīng)典世界中的一些事件（例如）計(jì)數(shù)器的點(diǎn)擊，某人眼睛中的視神經(jīng)被激活，或許僅僅是由量子事件觸發(fā)的一團(tuán)物質(zhì)的聚合?！保?/p>
約翰的自激回路思想反過(guò)來(lái)又使他推測(cè)信息論是物質(zhì)存在的基礎(chǔ)：“試著讓我的大腦思考這個(gè)想法……我想出了一個(gè)詞組‘萬(wàn)物源于比特’。宇宙及其所包含的一切（“它”）可能來(lái)自無(wú)數(shù)的“是”或“否”的測(cè)量選擇（“比特”）（發(fā)生在宇宙的一生中）?！?/p>
盡管聽(tīng)起來(lái)很瘋狂，但許多量子信息科學(xué)家認(rèn)為這是值得尊敬的。用約翰的一句名言來(lái)說(shuō)，這可能是“瘋狂到正確的程度”。
家庭
左上：John和Janette夫婦（1984）；左下：High Island（即文中所說(shuō)的高島）；右邊：John 在 High Island 舉辦80歲生日宴會(huì)的邀請(qǐng)函，宴會(huì)上有煙花表演。
約翰介紹了1933年春天，他第一次在巴爾的摩的舞會(huì)上注意到珍妮特·赫格納（Janette Hegner）的情景[9]：“她盯著我的眼睛。珍妮特沒(méi)有飄飄的睫毛?！冶凰臋C(jī)智、肉眼可見(jiàn)的天賦以及她在我們聊天時(shí)的談吐所吸引?！彪S后，僅僅進(jìn)行了三次約會(huì)，他們便訂婚了，但推遲了婚禮，直到約翰跟玻爾做完他的博士后從哥本哈根回來(lái)之后。從約翰的自傳中可以清楚地看出來(lái)[9]，他們的婚姻是一種真正的伴侶關(guān)系，而且這種關(guān)系持續(xù)了一輩子。珍妮特深深影響著約翰，約翰也深深影響著她。許多個(gè)夜晚，他們會(huì)躺在床上一起讀一本由兩人共同選擇的一本書(shū)。由珍妮特烹制的美食下，他們一起為學(xué)生和訪(fǎng)問(wèn)物理學(xué)家提供了一個(gè)熱情、溫馨的家庭環(huán)境。
約翰、珍妮特和他們的三個(gè)孩子，莉蒂希婭（Letitia）、詹姆斯（James）以及艾莉森（Alison），是一個(gè)親密的傳統(tǒng)家庭。在約翰的學(xué)術(shù)生涯中，他經(jīng)常從普林斯頓跑出來(lái)，帶著家人跑到一個(gè)遙遠(yuǎn)的地方，這樣他就可以躲在一邊沉思，或者使他與同事的交流更具成效。例如他曾在1949年到1950年間，在法國(guó)待了7個(gè)月；1956年在荷蘭萊頓待了9個(gè)月。這些旅行對(duì)約翰來(lái)說(shuō)是重要的機(jī)會(huì)，他可以在研究中提出新的觀點(diǎn)和方向，有時(shí)也可以使拖延已久的項(xiàng)目變得簡(jiǎn)單起來(lái)。
1957年，約翰和珍妮特買(mǎi)下了高島的一半，這是緬因州一個(gè)面積約66英畝的島嶼，通過(guò)一些堤道和公路與大陸相連。此后，他們?cè)谀抢锒冗^(guò)了大部分暑假，物理系的學(xué)生和同事經(jīng)常來(lái)這里進(jìn)行討論或一同工作。1964年夏天，珍妮特和約翰邀請(qǐng)我的妻子琳達(dá)（Linda）和我，還有我們的小女兒卡雷斯（Kares），住在他們島上的一間小屋里。在那里，我和約翰寫(xiě)了一本名為《引力理論和引力坍縮》的薄書(shū)。珍妮特和約翰盡了地主之誼。五年后，查爾斯·米斯納和他的妻子蘇珊娜（Susanne）在高島附近的緬因州海岸上蓋了棟房子。因此，琳達(dá)和我以及我們的兩個(gè)孩子在附近租了一間小屋，一個(gè)暑假都在為完成《引力》而奮筆疾書(shū)——這是約翰尼、查爾斯和我，我們?nèi)说膶氋F合作。當(dāng)這本書(shū)寫(xiě)完后，約翰給了珍妮特、蘇珊娜和琳達(dá)每人一枚華麗的、大大的、銀色的、綠松石色的別針，上面有一個(gè)小島的圖標(biāo)，作為他們對(duì)我們一起度過(guò)如田園詩(shī)般的夏日的紀(jì)念。事實(shí)上，約翰尼、查爾斯和我大部分時(shí)間都處于隔離寫(xiě)作狀態(tài)。
在上世紀(jì)90年代和本世紀(jì)初，隨著約翰（本應(yīng)）退休，他和珍妮特繼續(xù)在高島享受夏天。在一年的剩余時(shí)間，他們住在普林斯頓的郊外，在那里，約翰繼續(xù)頻繁地進(jìn)出辦公室，與物理系的同事和學(xué)生交流。
致謝
為了完成這篇回憶錄，我參考了許多《今日物理學(xué)》在約翰去世后不久發(fā)表文章。那些文章由肯·福特[8]、特里·克里斯坦森（Terry Christensen）[3]、查爾斯·米斯納、沃伊切納·祖瑞克和我[1]，我們五個(gè)人完成。同時(shí)我也參考了許多我們五個(gè)人為了寫(xiě)回憶錄而收集的那些資料，以及約翰·惠勒在肯·福特幫助下寫(xiě)的那本自傳，我感謝肯、特里和沃伊切納他們?yōu)檫@篇回憶錄做出的重大貢獻(xiàn)。我還要再次感謝肯，以及約翰的兒子詹姆斯·惠勒和女兒艾莉森·拉恩斯頓（Alison Lahnston）對(duì)這篇回憶錄的建議。
文章頭圖及封面圖片來(lái)源：ias.edu
本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“中科院物理所”微信公眾號(hào)
文章原名：John Archibald Wheeler[1]: A Biographical Memoir
版權(quán)聲明：This memoir was originally published by the National Academy of Sciences of the U. S. A. as a part of the Biographical Memoirs of the National Academy of Sciences and appears here in Chinese translation with their permission.
本文已獲原作者基普·索恩教授及出版商美國(guó)國(guó)家科學(xué)院和英國(guó)皇家學(xué)會(huì)許可，嚴(yán)禁用于任何商業(yè)用途。
這篇文章最早是索恩教授于2019年1月19日發(fā)表于arxiv上，將于2019年初出版在由美國(guó)國(guó)家科學(xué)院和英國(guó)皇家學(xué)會(huì)聯(lián)合編纂的傳記回憶錄系列中。作為2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，索恩教授同時(shí)也是黑洞領(lǐng)域的泰斗，而約翰·惠勒教授是索恩教授的博士生導(dǎo)師，也是為黑洞命名的人。我作為黑洞天體物理領(lǐng)域的初學(xué)者，一直以其二人為榜樣。因此，當(dāng)看到這篇文章的時(shí)候，我便有了翻譯的打算，以便讓更多的人了解惠勒教授的生平和成就。隨后，我向索恩教授發(fā)了請(qǐng)求授權(quán)的電子郵件，索恩教授在了解了我的來(lái)意之后便主動(dòng)與美國(guó)國(guó)家科學(xué)院和英國(guó)皇家學(xué)會(huì)商討版權(quán)問(wèn)題，最終授權(quán)我對(duì)這篇文章進(jìn)行翻譯。
在此非常感謝索恩教授及美國(guó)國(guó)家科學(xué)院和英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的信任及幫助，同時(shí)感謝譚舒宇、胡子昂、宋開(kāi)心、郭啟淏、白書(shū)旭、梁昊等人在翻譯過(guò)程中的指導(dǎo)和建議以及超理論壇在本文傳播過(guò)程中的幫助。
謹(jǐn)以此文表達(dá)對(duì)惠勒教授的尊敬。
參考資料
[1] This Memoir is being published in the Biographical Memoir Series of the US National Academy of Sciences and also that of the Royal Society, in early 2019.
[2] For a much longer list, see C. W. Misner, K. S. Thorne and W. H. Zurek. John Wheeler, relativity, and quantum information. Physics Today, April 2009:40-50.
[3] For considerable detail about John’s huge impact on Richard Feynman’s Nobel Prize research, see Feynman’s Nobel Prize lecture: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1965/feynman/lecture/
[4] T. M. Christensen. John Wheeler’s mentorship: An enduring legacy. Physics Today April 2009:55-59.
[5] I describe this and much more about Wheeler’s mentoring in my book Black Holes and Time Warps. New York: Norton (1993).
[6] D. Holz, Discover magazine blog on the day Wheeler died. http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/2008/04/13/goodbye
[7] R. Geroch, recorded interview with me in April 1982. Available in the Caltech Archives, Pasadena, CA.
[8] W. Unruh, recorded interview with me in December 1980. Available in the Caltech Archives, Pasadena, CA.
[9] For greater detail on this period of Wheeler’s career, see K. Ford. John Wheeler’s work on particles, nuclei, and weapons. Physics Today April 2009:29-33. Also Wheeler’s own 1979 autobiographical document: Some men and moments in the history of nuclear physics: The interplay of colleagues and motivations. In Nuclear Physics in Retrospect: Proceedings of a Symposium on the 1930s. Ed. Roger H. Stuewer. Minneapolis: University of Minnesota Press (1979) pp. 217-284.
[10] John Wheeler’s autobiography: J. A. Wheeler with K. Ford. Geons, Black Holes and Quantum Foam: A Life in Physics. New York: Norton (1998).
[11] For a detailed history of John’s role and that of his team at Princeton, see a recent book by John’s former student Ken Ford, who was a member his team: K. Ford. Building the H Bomb: A Personal History. Singapore: World Scientific (2015).
[12] J. A. Wheeler, Geometrodynamics and the issue of the final state. In Relativity, Groups and Topology, Eds. C. DeWitt and B. DeWitt. New York: Gordon and Breach (1964),pp. 317-522.
[13] B. K. Harrison, M. Wakano and J.A. Wheeler. Matter-energy at high density: end point of thermonuclear evolution. In La Structure et l’Evolution de l’Univers, Onzieme Conseil de Physique Solvay. Brussels: Editions R. Stoops (1958), pp. 124-141.
[14] B. K. Harrison, M. Wakano, K. S. Thorne, and J. A. Wheeler. Gravitation Theory and Gravitational Collapse. Chicago: University of Chicago Press (1965).
[15] J. B. Hartle and S. W. Hawking. Path-integral derivation of black-hole radiance. Phys. Rev. D 13:2188-2203 (1976).
[16] J. A. Wheeler. Superdense stars. Ann. Rev. Astron. Astroph. 4:393-432 (1966).
[17] F. Pacini. Energy emission from a neutron star. Nature. 216:567-568 (1967)
[18] For a brief history with references, from Wheeler to today, see K. S. Thorne. Nobel lecture: LIGO and gravitational waves III. Annalen der Physik 530:1800350 (2018).
[19] See, e.g., M. Scheel and K. S. Thorne. Geometrodynamics: The nonlinear dynamics of curved spacetime. Physics Uspekhi. 57:342-351. (2014).
[20] J. A. Wheeler. Quantum geometrodynamics. Annals of Physics 2:604-614 (1957).
[21] B. S. DeWitt. Quantum theory of gravity. I. The canonical theory. Phys. Rev. 160,1113-1148.
[22] J. A. Wheeler and W. H. Zurek. Quantum Theory and Measurement. Princeton: Princeton University Press (1983).
[23] In Reference 1.
[24] W. C. Wickes, C. O. Alley and O. Jakubowicz, A delayed choice quantum mechanics experiment. In Ref. 10, pp. 457-464 (1983).
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