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载《南方周末》2008年4月24日D26版


一代宗师魂归量子世界

田 松

 

  2008年4月13日,哥本哈根学派最后一个大师约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler,1911~2008)在家中去世,享年97岁。
  惠勒的去世,意味着一个时代的终结。


  惠勒是美国著名的物理学家、物理学思想家和物理学教育家。与其同时代的物理学家相比,他的名气远远不如他的博士后合作导师玻尔,他的同事爱因斯坦,也远远不如他的学生物理顽童费曼。在霍金流行全球之后,很多人都知道了“黑洞”这种奇怪的天体,但是很少有人知道,“黑洞”这个名字出自惠勒之手。
  惠勒虽然没有得到中国人看重的诺贝尔奖,但是他无疑是美国最重要的物理学家之一。作为物理学家,惠勒最重要的工作是与玻尔合作,在1942年共同揭示了核裂变机制。并参加了研制原子弹的曼哈顿工程。他还是美国第一个氢弹装置的主要设计者之一。作为物理学教育家,惠勒培养出了几代美国物理学家,他指导过的博士达50位之多——这是个惊人的数字,虽然与中国的高产博导相比似乎不算什么——当下美国宇宙学或者天体理论物理的一线人物有相当一部分是惠勒的学生。除了理查德·费曼之外,相对著名的基普·索恩(其著作《黑洞与时空弯曲》作为“第一推动丛书”之一于中国出版)、埃伦菲斯特(多世界理论的提出者)等。
  在我看来,惠勒更深远的影响是他作为物理学思想家的工作。晚年,惠勒倾力关注终极问题,从物理学家成为哲学家。他说:“我无法阻止自己去琢磨存在(existence)之谜。从我们称之为科学之根本的计算和实验,到这个最宏大的哲学问题,其间连接着一个不间断的链条。在这个链条上不会存在这样一个特殊的点,一个真正有好奇心的物理学家会说:‘我就到这儿了,不再往前走了。’”(John A. Wheeler and Kenneth Ford, 1998, Geons, Black Holes and Quantum Foam, New York: W. W. Norton & Company,p263)
  第一次阅读惠勒是在二十多年前,当时我在南京大学物理系读研究生,一部薄薄的小册子《物理学与质朴性》,让我的后脑重重地挨了一棍。很多潜意识中理所当然的观念,忽然间遭到了毁灭性的打击。比如关于实在是什么?人们一般认为存在一个外在的不以人的意志为转移的客观的实在,但是惠勒说,所谓实在,只有一些被观察到的铁柱是相对结实的,而其中的部分,则是有由理论和想象构成。比如说历史是什么?人们一般认为存在一个客观的已经发生过的历史,但是惠勒则说,并没有一个历史存在在哪儿,除非它被今天所观察到。甚至,我们今天的观察,能够对过去的历史产生影响,一直影响到宇宙的创生。值得一说的是,惠勒的思想不是建立在哲学思辩,而是建立在物理学研究上的。
  惠勒的思想引起我深深的困惑,多年以后,当我攻读科学哲学博士学位时,终于有机会做一个系统的梳理,把惠勒思想研究作为我的学位论文。惠勒的思想新颖独特,我不得不建构了另外一套概念框架,一套整体论的非实在论解释系统。这些思考已经进入我的思想深处,成为我看待世界的基本方式,也是我批判科学主义,消解本质主义的思想资源。
  去年夏天,我在美国东海岸漫游了六个星期,预订行程的重要一项,就是前往普林斯顿拜访惠勒。在惠勒的早年的学生和晚年的朋友Kenneth Ford的帮助下,终于夙愿得偿。2007年6月27日,Ford教授开车带着我前往惠勒所在的疗养院,与惠勒做了短暂的会见。当时惠勒已经96岁,听力严重下降,我需要对着他助听器的麦克风大声说话,他才能听见。Ford教授说,他已经不能集中一个话题十分钟以上。Ford教授事先把我的情况写在了一张纸上,告诉他,我是他At Home in the Universe(中文名《宇宙逍遥》)一书的译者,这本书在中国获得了2006年科学文化年度佳作奖。在我去年回国之后不久,此书又被列入中国国家图书馆文津图书奖的推荐书目。
  我们的谈话纯粹是礼节性的。拜访惠勒,只是表示我对这位物理英雄的崇敬。在惠勒去世后,《纽约时报》发表了长篇纪念文章。麻省理工学院的宇宙学家Max Tegmark说:“对我来说,惠勒是最后一位巨人,唯一一位依然挺立的物理学超级英雄。”
  在疗养院,我还看到了惠勒的妻子,当时99岁。她抚摸着我送给她的披肩说:太美了,太美了。然后望着窗外,大声地自言自语,在我们走出很远之后,我还能听到她的声音。
  董光璧先生提出了“后哥本哈根时代”的概念,用以指代玻尔逝世之后的物理学。而惠勒则是承前启后的人物。一方面,惠勒继承了量子力学哥本哈根学派的思想,并把哥本哈根学派的思想推导了极致,如他延迟选择实验、参与的宇宙等;另一方面,他又超越哥本哈根学派,如其万物源于比特、理论的变易性等思想,并提出了未来物理学的某种可能性。——当然,惠勒是否真能算得上承前启后,需要等未来的大事件发生之后才能回溯。
  总体来看,当前物理学正处于一个相对平稳的时期,用惠勒本人的话说:“新的发现,有;但是新的定律,没有。”而且已经没有了四五十年了。虽然有超弦理论、膜理论等新鲜事物不断涌现,但与上个世纪此时的波诡云谲相比,只能以平庸无奇来形容。若以库恩的科学革命说来衡量,现在的物理学无疑处于常规时期,或曰下一场科学革命的前夜。
  惠勒的去世,意味着哥本哈根时代的彻底终结。


  作为一位出色的教育家,惠勒对于教育有特殊的理解。“大学里为什么要有学生?”惠勒说,“那是因为老师有不懂的东西,需要学生来帮助解答。”1970年代初期,惠勒的学生贝肯斯坦(Bekenstein)提出,黑洞的视界面积正比于黑洞的熵,这个思想与当时的霍金等人“黑洞无毛”的观点相悖,几乎所有的天体物理学家都站在霍金一边,只有惠勒支持贝肯斯坦,他说:“这个想法足够疯狂了,所以它很有可能是对的。”而贝肯斯坦的确对了。早逝的费曼曾经说:“有人说惠勒晚年陷入了疯狂,其实惠勒一直都疯狂。”
  作为20世纪最重要的物理学成就,量子论和相对论在其基本理念上存在着严重的冲突,至今没有统一起来。作为哥本哈根学派的一员,惠勒对量子力学有深刻的理解,也作出了重要的贡献。但对于相对论,尤其是广义相对论,则知之不多。于是,1950年代,惠勒在普林斯顿开了一门讨论班课程,广义相对论。惠勒又有惊人之语曰:要想了解一个新的领域,就去开一门这个领域的课程。后来又说:要想了解一个新的领域,就写一本关于那个领域的书。这就是他与他的学生基普·索恩合写的大部头著作《引力》。
  惠勒具有超人的物理学直觉,能够从简单的类比,来获得深邃的洞察。“类比引发洞察”,这是的方法论夫子自道。其深邃在于,这些类比经他一说,似乎极为平常。他关于真子(Geon)的思想实验就是一个例子。
  黑洞是一个物理学奇点。物理学家本能地是要排斥奇点,因为奇点会导致无穷大。引力奇点在理论上被发现之后,物理学都不愿接受,惠勒也是一样。但是后来,惠勒不但给出了“黑洞”的命名,而且把这种方法推到了另一种极端。他这样想:光线经过引力巨大的天体(比如黑洞)附近,会弯曲。如果引力足够大,则弯曲的曲线会封闭起来,成为围绕天体的闭环,这时光线就不能逃逸了。又根据作用力与反作用力定律,如果引力对光线其作用,则光线也会对引力起作用。既然光也能具有引力的效应,惠勒想,理论上,可以把光所环绕的黑洞,用一个能够产生同样引力效应的巨大光子进行替换,于是结果是,这个大光子产生的引力效应使其自身无法逃逸。这个大光子,惠勒命名为geon,g代表Gravity,引力,e代表electromagnetism, 电磁,-on是代表粒子的后缀。
  我们把等效原理稍作推广:如果匀速直线运动和静止不能表现出可以分辨的物理效应,则匀速直线运动就相当于静止——伽利略协变;如果我们引力和加速度不能表现出可以分辨的物理效应,则引力就等效于加速度——广义相对论。同样,如果真实物质和geon表现出同样的引力效应,则geon就是一个真正的粒子。——故谐其因,反讽其意,我译之为“真子”。台湾蔡承志先生译为“引力电磁体”,不妥。一,太长;二,这是一个粒子,而不是一个天体。
  经过计算,一个最小的纯经典真子(不考虑量子效应)具有炸面圈的拓扑结构,其尺度相当于一个太阳,质量则是一亿个太阳的量级。大真子原则上可以大到宇宙的尺度,一个宇宙可能就是一个真子。惠勒认为,真子的巨大不能成为我们不去思考它的理由,相反,如果一种理论是正确的,那么,所有为这种理论所允许的东西,无论怎样超出想象,都会在实在中有显现的途经。黑洞就是这样。物理学家普遍愿意相信,凡可能是者,皆是。而惠勒则有着更强的信念:凡可能是者,必是。
  真子是“没有质量的质量”的典范。惠勒甚至试图继续推广,认为可以用这种方式来解释所有的质量!与之类似,惠勒还利用虫洞制造了charge without charge(没有电荷的电荷),试图以虫洞解释所有的电荷。这样,从实在论的意义上,惠勒消解了物质的“实在性”,把“真实”物质变成了几何。从物理学的意义上,把两个重要的基本物理量变成了导出量。
  “没有什么的什么”,这是惠勒自己颇为得意的想法。1980年代他访问中国时,曾经观看京剧《凤鸣岐山》,剧中姜子牙挥舞了一面变幻莫测的旗子,陪同人员解释,旗上的“無”字意为“nothing”。惠勒感到非常有趣,认为与他的“没有什么的什么”有异曲同工之妙。
  惠勒善于命名,惠勒的自传以他的三个得意命名为名Geons,Black Holes and Quantum Foam(《真子、黑洞与量子泡沫》)。“量子泡沫”是指,在普朗克长度和普朗克世界的微观世界中,实在已经变成了喧闹的泡沫,不断有粒子创生、湮灭。惠勒指出,这是实在的边缘。在这个边缘处,时间和空间的概念都失去了意义。而我们的宏观世界,恰恰是由这种微观世界构成的。惠勒由此消解了“实在”的“实在性”。
  惠勒最有代表性的思想是1979年在纪念爱因斯坦100周年诞辰学术研讨会上提出的延迟选择实验,据此,他给出了一个颠覆我们通常时间次序的结论:“我们此时此刻做出的决定,对于那些我们有足够理由说它已经发生了的事件,产生了不可逃避的影响。”此时的决定,影响了,甚至决定了光子的过去。最绝的是,这个思想实验不但具有可操作性,而且可以在宇宙尺度上操作。藉此,惠勒反复强调:“没有一个基本量子现象是一个现象,直到它是一个被记录(观察)的现象”。“并没有一个过去预先存在着,除非它被现在所记录。”于是,惠勒把哥本哈根学派的整体论从空间拓展到了时间。
  惠勒反对说有一个外在于我们的客观实在存在“在哪儿”。作为物理学家,惠勒喜欢使用图示、模型和故事来说明他的观点。他经常利用一个大写的R来代表实在(Reality),他指出:“实在是由一些观察的铁柱及其间的理论和想象构成的。”然而,他又指出,先定义术语,再繁衍理论,这是不可能的;先有实在,再有观察者的观察,也是不可能的。因为理论、概念、定律和测量方法是不可分离、同时呈现的(《宇宙逍遥》第14页)。因而,即使观察的铁柱本身,也是与理论相关的。这样一来,我们所看到的实在图景,几乎完全是我们的建构。如果用六祖惠能的手指与月亮的比喻,在惠勒这里,则手指就是月亮,月亮就是手指。
  惠勒强调观察的意义,我们观察到什么,(部分地)取决于我们用什么方式提问。由此类比,我们所见到的世界,也是由于观察而成为存在的。进一步,惠勒提出了参与的宇宙(participatory universe)这个概念。指出宇宙是一个自激回路。现在的观察,参与了乃至创造了宇宙之诞生。纯粹的客观的观察是不可能的。观察者必然成为参与者。晚年,惠勒又提出了“万物源于比特”(有生于微)。这个命题极为玄奥,对于信息学领域的学者产生了巨大的影响,我曾应邀在北大信息学院专门讲过惠勒的思想,引起了激烈的讨论。一种解读方式是这样的,我们的每一次观测,都产生出一个可以用“是”或“否”来回答的结果,这就是一个比特。于是,我们现在是看到的宇宙,或者实在,正是来自于古往今来的无数观察-参与行为。
  这样,沿着物理学的逻辑步步深入,一直推到荒谬得难以接受的程度,从而得出颠覆性的结论。这是惠勒的方法论。


  相对论和量子论,二十世纪上半叶最伟大的两个物理学理论至今不能融合,这本身也是一个悖论。作为为数不多的同时对量子论和(广义)相对论有深入研究的物理学家之一,惠勒同时进行着几个层面的思考,既考虑物理学本性的二阶问题,也构想未来物理学可能的基本因素。他提出了关于未来物理学的“三个问题”:存在如何,量子如何,观察如何创造?并提出了解决问题的“四个没有”的原则和“五条线索”。这些思想虽然已经构成了一个庞大的系统,各个部分之间有着紧密的联系,但是还没有形成完整的体系,依然包含着众多的猜想和可能性。而其魅力,可能恰恰来自于这些可能性。惠勒不是给出了答案,而是向我们提出了问题。下面举几个例子:
  变易性。从物理学结构上,惠勒构造了一个变易性的阶梯(第43页图3)。这个阶梯的最下层是最古老的弹性定律,弹性定律假设密度是不变的常量。而在我们能够产生足够的压力之后,密度就成为变量。化学价曾被认为是原子的固有属性,可以用来为原子排序,于是有门捷列夫元素周期表。但是原子核嬗变使这一条也发生了变化。每一条物理定律,都在某种物理条件的极端状态下被突破,被超越。依此类推,惠勒认为,一切定律都具有变易性(mutality),都不可能是不朽的,不可能像是刻在宇宙深处某一块石碑上的铭文,从永恒的过去一直到永恒的未来,一直存在。宇宙本身也有生有灭。物理世界和物理定律从大爆炸中进入存在,又将在大爆缩中遁出存在(在这样的描述中,似乎还有一个冥冥中的存在,超越于物理世界和物理定律。这是语言本身的无奈。事实上,我们对于时间的一切想象,都是以牛顿时间为背景的;我们对于空间的一切想象,也都是以欧氏空间为背景的。我们对于存在的想象,也是以牛顿的时空框架为背景的)。物理学定律到了最后,归结为一个恒等式,0≡0。边界之边界为零。于是,未来的统一物理学也必须满足边界之边界为零的条件。
  物质的物理学和定律的物理学。惠勒认为,麦克斯韦时代的物理学是物质的物理学,这时物理学的目的是寻找构成物质世界的基本单元,把物理学的基础建立在更基本的粒子之上。而此后的物理学则是定律的物理学,具体的物理粒子成为理论本身的建构结果,不再基本。惠勒力图把更多的物质转化成定律,前述“没有物质的物质”和“没有电荷的电荷”都是这种思想的表现。当然,这也可以用奥卡姆剃刀来解释。
  推出时间、量子和连续性。既然物质和电荷都可以从物理学自身的结构中给出,惠勒大胆地猜想,现在从物理学之外给入的时间将来也可以从物理学中推导出来,由绝对的量变成近似的量,由基本的量变成导出的量。正如光速曾经是外来的、绝对的量,后来则成为导出的,近似的。事实上,惠勒希望把所有外来的量,乃至把物理学本身建立在观察之上,希望从最质朴的观察出发,给出量子的定义,时间的定义。并解决数学连续性和物理的分立之间的矛盾问题。这就是所谓物理学的质朴性。

  2000年是量子理论问世一百周年,惠勒写了一篇文章《量子何为?——量子物理的荣耀与耻辱》表示纪念。(John A. Wheeler, How Come the Quantum?——The Glory and the Shame of Quantum Physics, New York Times, December 12, 2000.)他说:

  这就是普朗克之后一百年的量子物理,全部化学、生物学、计算机技术、天文学和宇宙学的理论基础。然而,如此值得自豪的基础,却仍不能知道其自身基础。我们可以相信,我确实相信,对于“量子何为”这个问题的回答也将被证明是对“存在何为”这个问题的回答。

  2001年年初,惠勒在给我的电子邮件中指出:“未来的物理学应该来自于我们对量子理论的更深入理解,而不是来自对量子理论的评判。”
  在对这些基本问题的思考中,惠勒从物理学走向了哲学。


  能够集中表现惠勒思想的中文文献在2000年前只有两种。一是《物理学和质朴性:惠勒演讲集》(安徽科学技术出版社,1982年),这是惠勒在1981年访问中国时,在北京、合肥和上海发表的学术演讲。此书直接用中文出版,没有其他语种的版本。中国学者了解惠勒,大多始于此书。一是《科学和艺术中的结构》(童世骏、陈克艰译,华东师范大学出版社,1989年),这也是一部演讲集。1979年在德国的克龙贝格城,二十几位世界科学、哲学和艺术领域的一流人士聚在一起,就“科学与艺术中的结构”进行了专题讨论。会议共有四个专题发言,前三个发言者分别是心理学家、生物学家和小说家,惠勒是第四个。与会者皆一时俊杰,包括国内熟悉的科学哲学家卡尔·波普尔,艺术史家贡布里希,以及三位诺贝尔奖得主。这两种文献综合起来,大体上已经包含了惠勒就实在问题和科学走向问题的基本思想。后者还有一些问答,更可以凸现惠勒思想的新锐与超前。
  惠勒出版的物理专业著作也有很多,中文只有一种繁体字版的《引力》在台湾出版。2000年,惠勒传记Geons,Black Holes and Quantum Foam中译本由台湾商周出版出版,题为《约翰·惠勒自传——物理历史与未来的见证者》(蔡承志译),2004年,此译本之简体字本由汕头大学出版社出版。这部传记为惠勒与其高足Kenneth Ford合著。
  而最能集中体现惠勒作为哲人科学家思想的则是其文集《宇宙逍遥》(北京理工大学出版社,2006年)。这个译名是戈革先生的建议。该书包括六个部分,共24篇文章。其中第一部分“科学的微笑”和第六部分“超越黑洞”讨论的都是物理学基础问题以及实在本性问题,这是其思想最为尖锐和艰深的部分。第三篇文章《我们的宇宙:已知和未知》也可以作为科普文章来读。第二个部分“热忱与士气”篇幅较短,其中谈到了教育问题,谈到了对大学精神的理解(《普林斯顿的合作精神》),值得国内大学管理者“深长思之”。第三个部分“玻尔和爱因斯坦”中的六篇文章都与这两位大师有关。涉及了物理学史上的若干重大问题,阐释了重要的物理学思想,也谈到了科学家的社会责任、科学的社会意义等问题。第四部分“追忆伟人”与前一个部分类似,只是对象变成了居里夫人、外尔、克拉默斯和汤川秀树等人。从他回忆居里夫人和外尔的文章中,我们可以看到惠勒本人的一部分思想来源。第五部分“半生此生”讨论的则是科学社会学问题,惠勒对于《科学在现代生活中的位置》、《科学与生存》、科学家在现代社会中的价值和意义等问题的思考,他关于“重知识分子”和“轻知识分子”的提法,都能让我们有所借鉴。尤为让我惊奇的是,惠勒当年还曾经领导过科学的社会风险问题的研究。当然,相对于今日的科学社会学和科学知识社会学来说,惠勒的观点更多地反映了一位科学家的对于科学和社会问题的缺省理解。在这几个部分之中,还散落惠勒献给哥白尼、爱因斯坦等人的赞美诗,使我们看到一位物理学家多方面的才华。
  惠勒的思想新奇瑰丽。就如惠勒在中文版序言中所说,人要能够跨越自己专业的狭隘视野。在该书第一篇文章中,惠勒就强调“致统一”概念,强调不同领域之间的融合。这是物理学家长久以来的大统一梦想(温伯格称之为《终极理论之梦》)的另一种表现。而惠勒的思想已经超越了物理学,成为人类文化的共同财富。
 
  惠勒说,茫茫宇宙中发生的奇迹,胜过人们在“最狂野的梦里所能想象出来的最灿烂的焰火”(《我们的宇宙:已知与未知》),对我来说,惠勒这位理论物理学家张扬无羁的思想狂欢,充满激情的理性和充满理性的激情,恰如狂野之梦中的焰火!


2008年4月20日
北京 向阳院

(此文是主体部分是《宇宙逍遥》译者序,获悉惠勒去世后,我对此文进行了一定的改写,并补充了一些内容,以纪念这位物理学英雄。《南方周末》在发表时做了删节,关于“真子”和“量子泡沫”的两个自然段都删去了。)

 

图为田松(右)在疗养院看望惠勒时与他合影。

 

 

 

20080509加入