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他明信片只包含两个词:“快点。”
33岁的物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler)住在华盛顿州汉福德。当他收到弟弟乔(Joe)寄来的明信片时,他正在研究向洛斯阿拉莫斯输送钚的核反应堆。那是1944年的夏末。乔在第二次世界大战的意大利前线作战。他很清楚他哥哥在做什么。他知道五年前,惠勒坐在了丹麦科学家尼尔斯·波尔和核裂变的物理学,显示不稳定同位素的元素(如铀或钚soon-to-be-discovered,中子的轰击下,分缝,释放出难以想象的商店的原子能。足以夷平一座城市。足以结束一场战争
在明信片到达之后,惠勒尽快工作,曼哈顿项目在以下夏天完成了原子弹的建设。在新墨西哥州的jornada del Muerto沙漠中,物理学家们引爆了人类历史的第一个核爆炸,将1000英尺的沙漠沙子转向玻璃。该项目总监J. Robert Oppenheimer从一个大型营地的安全性远离了一个大地营地,默默地引用了印度教圣经比较“现在我成了死神,世界的毁灭者。”在汉福德,惠勒有不同的想法:希望我不是太晚了。他不知道,在佛罗伦萨附近的山坡上,乔躺在一个散兵坑里,已经死了。
当惠勒学会了新闻时,他被摧毁了。他把自己归咎于他。“人们无法逃脱地结束,即原子弹计划较年前开始的原子弹计划一年结束,迟早会备受1500万人的生活,我哥哥乔中间,”他在他的回忆录中写道。“如果我试过,我可能会影响决策者。”
时间。作为一名物理学家,惠勒一直对解开这个神秘维度的本质充满好奇。但在乔死后,这是私人恩怨。
惠勒将剩下的余生与时间挣扎。他的期刊,他总是被携手(在费城美国哲学社会图书馆的档案中陷入困境),揭示了一个令人惊叹的思想家的令人惊叹的肖像,永远意识到他的迫在眉睫的死亡率一个争夺时间来回答问题,但是这问题:“怎么会存在呢?”
“对存在的彻底渗透叙述的所有障碍,没有比”时间“更令人沮丧的雨水”惠勒写道。“解释时间?不知道存在。解释存在?没有解释时间。“
随着时间的流逝,惠勒的时间日记越来越频繁和紧迫,字里行间也越来越不稳定。在其中一篇文章中,他引用了丹麦科学家兼诗人Piet Hein的话:
“我倒想知道
这整个展览
都是关于
前出去了。”
在他的窗帘下来之前,惠勒比他面前的任何思想家更加根本地改变了我们对时间的理解,或者因为他哥哥记忆所驱动的变化,革命被遗憾地推动。
惠勒在想:我希望我不是太晚了。他不知道,在佛罗伦萨附近的山坡上,乔躺在一个散兵坑里,已经死了。
一世ñ1905年,前六年惠勒出生后,爱因斯坦提出了他的狭义相对论的理论。他发现,时间以稳定的步伐不流处处为大家;相反,它是相对于观察者的运动。你走的越快,越慢时间的推移。如果你能尽可能快地光,你会看到时间停下来和消失。
但在爱因斯坦发现之后的多年来,量子力学的制定LED物理学家对时间的相反结论。量子系统由称为波形发生器的数学波描述,其编码在测量时以任何给定状态在任何给定状态下找到系统的概率。但那个波段不是静态的。它改变。它发展了在时间.时间,换言之,是该量子系统,蜱后绝对第二远第二,在爱因斯坦的直接无视外部时钟外部定义。
这是哪里的东西放着,这两种理论处于胶着状态,时间的本质在空中,当惠勒第一次在上世纪30年代的物理场景。当他安顿到普林斯顿大学的学术生涯中,惠勒是轻声细语的和不可能礼貌,穿着笔挺的西装,打领带。但是后面他的保守的举止打下了无畏激进的想法。一个家庭图书馆募集,惠勒是一个贪婪的读者。正如他在广义相对论和量子力学的棘手问题挣扎,他咨询不仅爱因斯坦和玻尔,但亨利·詹姆斯的小说和西班牙作家安东尼奥马查多的诗歌。他拖着他的手提箱词库,当他游历。
1940年春天,惠勒在普林斯顿大学的一个晚上,第一次隐约地意识到那个时代并不像看上去那样美好。他想的是正电子。正电子是电子的反粒子:相同的质量,相同的自旋,相反的电荷。但为什么要存在这样的另一个自我呢?当这个想法产生时,惠勒打电话给他的学生理查德·费曼,宣布:“它们都是同一种粒子!”
想象一下,整个宇宙中只有一个孤独的电子,惠勒说,绕过空间和时间,追踪路径如此复杂的路径,即这种单一的粒子呈现出无数颗粒的错觉,包括正弦。驾驶器蒙上的正电子只是一个电子向后移动。(一个善良的Feyynman,在他的1965年诺贝尔物理奖毕业中,他表示,他偷了惠勒的想法。)
在20世纪40年代的曼哈顿计划工作后,惠勒渴望回到普林斯顿和理论物理。然而,他的回归被推迟。1950年,仍然由他未能迅速采取行动,足以挽救他的哥哥困扰,他加入物理学家爱德华·特勒在洛斯阿拉莫斯国家实验室打造的武器比原子弹,氢弹甚至致命。1952年11月1日,惠勒在船上的s·柯蒂斯这里距离太平洋上的Elugelab岛约35英里。他看到美国引爆了一枚氢弹,其能量是摧毁广岛的氢弹的700倍。当测试结束时,Elugelab岛也结束了。
随着他在洛斯阿拉莫斯的工作完成,惠勒“爱上了广义相对论和万有引力”。回到普林斯顿,就在爱因斯坦家的那条街上,他站在一块黑板前,开了这门学科的第一门课。广义相对论描述了质量如何将时空扭曲成奇怪的几何形状,我们称之为引力。惠勒想知道这些几何图形能有多奇怪。当他把这个理论推向极限时,他被一个似乎能改变时间的物体迷住了。它被称为爱因斯坦-罗森桥,它是一种隧道,开辟了一条宇宙捷径,连接了时空中遥远的点,通过进入一端,从另一端出来,人可以比光或时间倒退得更快。喜欢语言的惠勒知道,人们可以通过给晦涩难懂的数学公式起名字来赋予它们生命;1957年,他给这种扭曲的现实取了个名字:虫洞。
当他进一步穿越时空时,他发现了另一个引力异常,在这个地方,质量是如此密集,以至于引力变得无限强大,时空被无限地撕裂。他也给它起了个名字:黑洞。在这个地方,“时间”失去了所有的意义,仿佛它根本就不存在。“每个黑洞都带来了时间的终结,”惠勒写道。
随着他通过Spacetime进一步推动的,惠勒遇到了另一个引力异常。他也给它起了个名字:黑洞。
一世
N 20世纪60年代,随着越南战争撕破了美国文化的织物,惠勒队在一般相对论和量子力学之间进行了裂谷,争夺了越来越多的时间。1965年有一天,在等待北卡罗来纳州的解放后,惠勒问他的同事布莱斯德威特将他的公司留在机场几个小时。在终端中,Wheeler和Dewitt在驾驶器的一个方程写下了一种称为Einstein-Schrödinger方程的方程,以及其他其他人以后称为Wheeler-dewitt方程。(Dewitt最终被称为“该诅咒的等式”。)
惠勒和德威特的波函数描述的是整个宇宙,而不是描述实验室中运动的粒子系统。唯一的问题是把时钟放在哪里。他们不能把它放在宇宙之外,因为根据定义,宇宙没有外部。因此,虽然他们的方程成功地结合了相对论和量子理论的精华,但它也描述了一个无法进化的宇宙——一个冻结的宇宙,停留在一个单一的、永恒的瞬间。
惠勒对虫洞工作已经表明了他,像电子和正电子,我们也可能能够弯曲和断裂时间的箭头。同时,他对黑洞的物理工作使他怀疑的时候,在内心深处,不存在。现在,在罗利国际机场,那个该死的等式左边惠勒用唠叨预感,时间不可能是现实的一个基本要素。它必须是,如爱因斯坦所言,一个顽固的执着错觉,一个事实,即我们是一个卡住宇宙中只有一个内内的结果。
惠勒确信,解开存在之谜的核心线索是量子测量。他发现量子理论的深奥之处就在于当观察者进行测量时,他所测量的并不是世界上已经存在的东西。然而,他的测量结果却以某种方式证明了这一点——这是一个奇怪的事实,没有一个头脑正常的人会相信它,除非它已经被一个被称为双缝的熔化大脑的实验一次又一次地证明了。这是惠勒无法摆脱的一个实验。
在这个实验中,单个光子从一个有两条平行狭缝的屏幕上发射出来,然后落在另一边的感光板上,在那里留下一个光点。每个光子有50/50的机会通过狭缝,所以许多轮这后,你会看到两个大的光在盘子里,一堆的光子通过狭缝,另一个显示桩,通过狭缝你不要。相反,你看到的是一系列的黑白条纹——一种干涉图案。“观察这个正在进行的实际实验,让量子行为变得生动起来,”惠勒写道。“虽然在概念上很简单,但它惊人地揭示了量子理论令人费解的奇怪之处。”
虽然听起来很不可能,但干涉图样只能说明一件事:每个光子同时通过了两个狭缝。当光子朝向屏幕时,它被描述为一个量子波函数。在屏幕上,波函数一分为二。同一光子的两个版本穿过每个狭缝,当它们从另一边出现时,它们的波函数重新组合——只是现在它们部分地不相。光波排列的地方,光线被放大,在底片上产生明亮的条纹。当它们不同步时,光就会自我抵消,留下黑暗的条纹。
然而,当你试图捕捉穿过狭缝的光子时,事情就会得到陌生人。将探测器放在每个狭缝处并再次运行实验,光子后光子。点点,一种模式开始出现。它不是条纹。板上有两个大斑点,每个狭缝相对。每个光子一次只花了一条路径。好像它知道它正在观看。
当然,光子不知道什么。但是,通过选择系统测量的哪个属性,我们确定系统的状态。如果我们不要求光子需要哪条路径,它需要两者。我们的询问创建路径.
惠勒想知道,同样的想法能否扩大规模。我们是否可以询问存在的起源,大爆炸和138亿年的宇宙历史创建宇宙?“量子原理巨型冰山的尖端细小,作为世界的肚脐”,惠勒潦草在他的日记6月27日,1974年“过去,现在和未来比人们意识到绑更加亲密。”
在他的杂志中,Wheeler画了一张首都你的“宇宙”的照片,左峰顶栖息在左峰顶上,盯着右侧的尖端:时间的起源。当你从右到左跟踪你的猛扑时,前进的时间前进,宇宙增长。星星形式然后死,将碳灰色喷出到空间的空虚中。在天空的一角,一些碳在岩石行星上的土地,合并到一些原始的粘性,生长,发展到......眼睛!宇宙已经创建了一个观察者,现在在量子测量的行为中,观察者回顾并创造了宇宙。Wheeler潦草地涂上了绘图下的标题:“宇宙作为一个自我激励的系统。”
Wheeler知道图片的问题是,它与我们对时间最基本的理解相冲突。电子是向后拉动时间的一件事,或者对于裙子到裙子的箭头。它完全是谈论创造和因果关系。过去流到现在,然后现在转身原因过去吗?
“有才能通过一项决议的这些问题,不惜一切代价,”惠勒在他的日记中写道。“无处超过在这里我可以试试,不辜负我的责任,人类的生活和死亡,为[他的妻子]珍妮特和我的孩子和孙子;对可能已经但没有孩子;乔......”他粘到该杂志从剪报这每日电报.标题读:“天越来越短。”
一世N 1979年,惠勒在马里兰大学讲课,他提出了一个大胆的新思想实验,一个将成为他关于时间的最戏剧性的应用:延迟选择。
惠勒已经意识到,可以以这样的方式安排通常的双重狭缝实验,即观察者可以决定他是否想要看到条纹或斑点 - 即,在光子已经通过后,他可以创建一些现实 -通过屏幕。在最后一个可能的第二个中,他可以选择去除摄影板,揭示两个小望远镜:一个指向左侧狭缝的一个,另一个在右侧。望远镜可以判断光子已经通过了哪个狭缝。但如果观察者离开板块,则干涉图案形式。观察者的延迟选择决定了光子是否占用了一条路径后它大概已经做到了其中的一个。
对惠勒来说,这不仅仅是好奇。这是宇宙存在的一条线索。这是他绘制u型图所需要的一种机制,一种时间规则的弯曲,可能会让138亿年前在大爆炸中诞生的宇宙得以创造马上.通过我们.
惠勒说,要明白这一点,只需将延迟选择实验扩大规模。想象光从十亿光年外的类星体飞向地球。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。光在星系周围弯曲,以相同的概率向左或向右偏转,为了思想实验,每次到达地球的光子只有一个。我们又一次面临着类似的选择:我们可以把感光板放在光到达点的中央,在那里会逐渐出现干涉图样,或者我们可以把望远镜对准星系的左边或右边,看看光走了哪条路。我们的选择决定了光子生活在两个相互排斥的历史中的哪一个。我们现在就决定它的路线(或路线)从开始到结束——尽管它已经开始了它的旅程十亿年前.
在台下全神贯注地听一个叫卡罗尔·阿利物理学家。胡同已经知道惠勒在普林斯顿,他在那里的物理学家罗伯特·亨利·迪克,他的研究小组想出了把镜子在月球上的想法下,研究。
DiCke和他的团队对通过观察月球和地球之间的微妙的引力相互作用来研究一般相对性,这将需要精确地测量到月球的距离,因为它沿着它的轨道扫除。他们意识到他们可以在月球表面上放在镜子上,他们可以反弹它们的激光,并且时间拍摄的时间返回时间。Alley成为美国宇航局项目的原理调查员,在月球上有三个镜子;第一个由Neil Armstrong成立于1969年。
现在,胡同听了惠勒说话,渐渐明白了他,他也许能够使用他用于测量激光反弹月亮实现惠勒的实验室愿景相同的技术。从月球上的镜子回来的光信号一直这么弱巷子里和他的团队已经开发了先进的方法来测量单光子,而这正是需要什么样的惠勒延迟选择设置。
1984年,艾利和那天也在场的奥列格·札库伯维茨(Oleg Jakubowicz)和威廉·威克斯(William Wickes)一起,终于让实验开始了。正如惠勒所设想的那样:现在的测量可以创造过去。我们曾经知道的时间并不存在;过去不会在未来面前不可磨灭。惠勒发现,历史——酝酿罪恶的历史,潜伏在散兵坑里的历史——从来都不是一成不变的。
那年晚些时候,他写道:“存在是怎么来的?量子是怎么来的?提出这样的问题要判死刑吗?”
尽管如此,惠勒还是没有领悟到一些根本的道理。他知道量子测量可以让现在的观察者创造过去,宇宙凭借自己的力量提升自己的存在。但量子测量是如何做到的呢?如果时间不是一个原始的范畴,为什么它如此无情?惠勒的日记成了他们自己的明信片,一遍又一遍地写给自己。赶快。存在的谜题奚落他。“我不是‘我’,除非我继续锤子在那坚果,”他写道。“停止和我成为一个缩小的老人。继续,我有我的眼睛一线。”
1988年,惠勒的健康状况摇摆不定;他两年前已经做了心脏手术。他的医生给了他一个截止日期。他们告诉他,他还可以再活三到五年。在自己死亡的威胁下,惠勒越来越沮丧,他担心自己不能及时解开存在的秘密,以弥补他看到的自己未能拯救弟弟的后果。在“道歉”的标题下,他在日记中写道,“发展这些想法需要多年的工作。”我- 76没有他们。”
幸运的是,就像他们之前的科学家一样,医生们对时间的本质都错了。惠勒眼睛里的光芒继续闪烁,他继续钻研量子力学的奥秘和奇怪的时间循环。他在1999年6月11日写道:“在量子耻辱的荣耀背后。”“为什么惭愧?因为我们还不明白量子是怎么来的。量子作为自我创造宇宙的信号?”那年晚些时候,他写道:“存在是怎么来的?量子是怎么来的?提出这样的问题要处以死刑吗——”
虽然惠勒的日记揭示了一个孤军作战的人,但他的影响是广泛的。在他的最后几年,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,发展了一种被称为“自上而下的宇宙学”的方法,这是惠勒的延迟选择的直接后裔。霍金和赫托格认为,就像来自遥远类星体的光子在无人观察时,会同时走多条路径一样,宇宙也有多重历史。正如观察者可以通过测量来确定光子的历史可以追溯到数十亿年前一样,只有当观察者进行测量时,宇宙的历史才会成为现实。通过将量子力学定律应用于整个宇宙,霍金将惠勒当天点燃的火炬带回了北卡罗莱纳机场,并挑战了我们对这一过程中时间的所有直觉。霍金写道,自上而下的方法“导致了一种完全不同的宇宙学观点,以及因果关系”。这正是惠勒想要表达的,当他把眼睛画在自己创造的宇宙上时。
2003年,惠勒还在追寻存在的意义。“据我所能想象,我无法合理地说出‘存在是怎么来的’!”他在日记中写道。“剩下的时间不多了!”
2008年4月13日,在新泽西州海茨敦,96岁的约翰·阿奇博尔德·惠勒终于在与时间的赛跑中输了。那顽固而持久的幻觉。
Amanda Gefter是一个物理作家和作者在爱因斯坦的草坪上闯入:一个父亲,一个女儿,什么都没有的含义和一切的开始.她住在马萨诸塞州的剑桥市。
本文最初发表于2014年1月的《时代》杂志。