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在哥哥的困扰下,他彻底改变了物理学

对约翰·阿奇博尔德·惠勒来说,解释时间的竞赛是个人的。

明信片上只有两个字:“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。Amanda Gefter著

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他在明信片上只写了两个字:“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

明信片寄来后,惠勒以最快的速度工作,曼哈顿计划在第二年夏天完成了原子弹的建造。在新墨西哥州的约纳达·德尔·穆埃托沙漠上空,物理学家引爆了人类历史上的第一次核爆炸,将1000英尺高的沙漠变成了玻璃。该项目的负责人j·罗伯特·奥本海默(J. Robert Oppenheimer)在10英里外的一个安全的大本营观看了这一项目,并默默地引用了印度圣经比较“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:我希望我不会太晚。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。

当惠勒得知这个消息时,他悲痛欲绝。他指责自己。他在回忆录中写道:“一个人不可避免地会得出这样的结论:如果原子弹计划提前一年启动,提前一年结束,就会挽救1500万人的生命,我弟弟乔就是其中之一。”“如果我尝试过,我可能——可能——已经影响了决策者。”

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初始条件

在西班牙维尔京群岛西端的别克斯岛,有什么比与两位著名的理论物理学家坐在一起讨论时间的本质更好的方式呢?艾伦·古思,第一个提出…阅读更多

时间作为一名物理学家,惠勒一直好奇于解开这个神秘维度的本质。但是现在,在乔死后,这是私人的。

惠勒的余生都在与时间作斗争。他的日记,他总是手头(未发表的,今天是藏匿在费城的美国哲学协会图书馆档案),揭示了一个惊人的肖像着迷的思想家,他的全知迫在眉睫的死亡率,在与时间赛跑,回答没有问题,但是问题:“为什么存在?”

惠勒写道:“在所有对存在进行透彻描述的障碍中,没有什么比‘时间’更令人沮丧了。”“解释?不解释存在就不行。解释存在吗?除非解释时间。”

随着岁月的流逝,惠勒的日记中关于时间的条目越来越频繁和紧迫,它们的台词也越来越不稳定。在一篇文章中,他引用了丹麦科学家兼诗人皮埃特·海因的话:

“我倒想知道
整个表演是什么
都是关于
在它出来之前。”

在他的大幕落下之前,惠勒改变了我们对时间的理解,比他之前和之后的任何思想家都要彻底——这是一场由对他哥哥的记忆推动的变革,一场由遗憾推动的革命。


惠勒在想:我希望我不会太晚。他不知道,在佛罗伦萨附近的山坡上,乔躺在散兵坑里,已经死了。


1905年,惠勒出生前六年,爱因斯坦提出了他的狭义相对论。他发现时间并不是以稳定的速度在每个地方流动;相反,它是相对于观察者的运动。你走得越快,时间就越慢。如果你能走得像光速一样快,你会看到时间停止并消失。

但在爱因斯坦发现后的几年里,量子力学的公式导致物理学家对时间得出了相反的结论。量子系统是用称为波函数的数学波来描述的,它编码了在测量的任何给定状态下找到系统的概率。但波函数不是静态的。它的变化。它的发展在时间. 换句话说,时间是在量子系统之外定义的,量子系统是一个外部时钟,它在绝对秒之后一秒一秒地滴答作响,这是对爱因斯坦的直接蔑视。

这就是两种理论相持不下的原因,这是惠勒在20世纪30年代首次出现在物理学领域时,时间的本质。惠勒在普林斯顿大学安顿下来,开始了自己的学术生涯。他说话温和,彬彬有礼,穿着熨烫整齐的西装,打着领带。但在他保守的举止背后隐藏着一种无所畏惧的激进思想。惠勒由一个图书馆员家庭抚养长大,是一个贪婪的读者。当他努力解决广义相对论和量子力学中的棘手问题时,他不仅查阅了爱因斯坦和玻尔的著作,还查阅了亨利·詹姆斯的小说和西班牙作家安东尼奥·马查多的诗歌。他旅行时把一本词典放在手提箱里。

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!”

惠勒说,想象一下整个宇宙中只有一个电子,它在空间和时间中蜿蜒前行,追踪的路径如此错综复杂,以至于这个单一粒子看起来就像无数粒子,包括正电子。惠勒说,正电子就是一个在时间上逆向运动的电子。(性情温和的费曼在1965年诺贝尔物理学奖(Nobel Prize in Physics)的获奖感言中说,这个想法是从惠勒那里偷来的。)

存在之谜:约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler)写道:“除非我继续敲打这个螺母,否则我不是‘我’。” Corbis的图片

20世纪40年代,惠勒参与了曼哈顿计划(Manhattan Project)的工作,之后他渴望回到普林斯顿,从事理论物理学。然而,他的返回被推迟了。1950年,由于未能及时救下自己的兄弟,他与物理学家爱德华·特勒一起在洛斯阿拉莫斯制造了一种比原子弹更致命的武器——氢弹。1952年11月1日,惠勒登上了s·柯蒂斯,距离太平洋中的艾卢格拉布岛约35英里。他看到美国引爆了一枚氢弹,其能量是摧毁广岛的原子弹的700倍。当试验结束时,艾露格拉布岛也结束了。

惠勒在洛斯阿拉莫斯的工作完成后,“爱上了广义相对论和万有引力。”回到普林斯顿,就在爱因斯坦家的街上,他站在黑板前,讲授了有史以来第一门关于广义相对论和万有引力的课程。广义相对论描述了质量如何将时空扭曲成我们称之为引力的奇怪几何体。惠勒想知道这些几何图形有多奇怪。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,连接了时空中的遥远点,因此通过进入一端和从另一端出现,一个人可以比光速更快或在时间上倒退。热爱语言的惠勒知道,通过命名,人们可以为晦涩难懂的数学难题注入生命;1957年,他给这个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。


当他进一步穿越时空时,惠勒发现了另一个引力异常。他也给它起了个名字:黑洞。


20世纪60年代,当越南战争撕裂了美国文化的结构时,惠勒努力修补物理学中广义相对论和量子力学之间的裂痕——这个裂痕被称为时间。1965年的一天,惠勒在北卡罗来纳州转机时,让他的同事布莱斯·德威特(Bryce DeWitt)在机场陪他几个小时。在终端机,惠勒和德威特写下了一个波函数方程,惠勒称之为Einstein-Schrödinger方程,其他人后来称之为惠勒-德威特方程。(德威特最终称之为“那个该死的等式”。)

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。

惠勒对虫洞的研究已经向他展示了,就像电子和正电子一样,我们也可能能够弯曲和折断时间之箭。与此同时,他对黑洞物理学的研究让他怀疑时间在内心深处并不存在。现在,在罗利国际机场(Raleigh International Airport),这个可恶的等式让惠勒产生了一种挥之不去的预感:时间不可能是现实的基本要素。正如爱因斯坦所说,这是一种顽固的错觉,是我们被困在一个只有内在的宇宙里的结果。

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。

在实验中,单光子从一个有两个平行小缝的屏幕上的激光中射出,然后落在另一侧的照相底片上,在那里留下一个光点。每一个光子都有50/50的几率通过任一狭缝,所以在多次这样做之后,你会看到板上有两个大光点,一个显示穿过狭缝a的光子堆,另一个显示穿过狭缝B的光子堆。你不会看到。相反,您会看到一系列黑白条纹形成干涉图案。惠勒写道:“观看正在进行的实际实验可以生动地了解量子行为。”。“虽然它在概念上很简单,但它引人注目地揭示了量子理论令人费解的奇异性。”

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,当你试图捕捉穿过缝隙的光子时,事情就变得更奇怪了。在每个狭缝处放置一个探测器,一个光子接着一个光子地进行实验。一个点一个点,一种模式开始出现。不是条纹。盘子上有两个大斑点,每条缝的对面有一个。每个光子一次只能走一条路。就好像它知道自己在被监视一样。

当然,光子什么都不知道。但是通过选择测量系统的哪个特性,我们决定了系统的状态。如果我们不问光子走哪条路,它会两条都走。我们的要求创造的路径

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吗?1974年6月27日,惠勒在他的日记中写道:“量子原理就像巨大冰山的一角,就像世界的脐。”。“过去、现在和未来的联系比人们意识到的更为紧密。”

在他的日记中,惠勒画了一幅大写u代表“宇宙”的图画,左手边的顶点上有一只巨大的眼睛,凝视着字母的深渊,直到右手边的顶端:时间的起源。当你从右到左跟随U的俯冲,时间前进,宇宙成长。恒星形成,然后消亡,将它们的碳灰喷射到空旷的太空中。在天空的某个角落,一些碳落在一颗岩石行星上,与一些原始粘性物质融合,生长,进化,直到……一只眼睛!宇宙创造了一个观察者,而现在,在量子测量的过程中,观察者回顾并创造了宇宙。惠勒在这幅画下面草草写了个标题:“宇宙是一个自激系统。”

惠勒知道,这幅画的问题在于,它与我们对时间最基本的理解相冲突。对电子来说,穿越时间是一回事,对虫洞来说,绕过时间之箭是一回事。关于创造和因果关系的讨论完全是另一回事。过去流向现在,现在又反过来原因过去?

为了解决这些问题,不惜一切代价,”惠勒在他的日记中写道。“除了这里,我再也无法履行我对人类生死攸关的责任,对(他的妻子)珍妮特和我的子孙后代的责任,对可能是但不是的孩子的责任,对乔的责任……”他在杂志上粘上了一张来自他的剪报每日电讯报.标题是:“白天越来越短。”

1979年,惠勒在马里兰大学做了一次演讲,他在演讲中提出了一个大胆的新思想实验,这个实验将成为他关于时间的思想最引人注目的应用:延迟选择。

惠勒已经意识到,有可能在常规的双缝实验中安排这样一种方式,即观察者可以决定他是想要看到条纹还是斑点——也就是说,他可以在光子已经穿过屏幕之后创造一点现实。在最后一秒,他可以选择取下照相底片,露出两个小望远镜:一个指向左边的狭缝,另一个指向右边。望远镜能分辨出光子穿过了哪个狭缝。但是如果观察者离开了板的位置,干涉图案就形成了。观察者的延迟选择决定了光子是走一条路还是两条路它大概已经做了一件或另一件事。

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现在.通过我们

惠勒说,要明白这一点,只需进行延迟选择实验并扩大规模。想象一下,光从十亿光年外的类星体向地球传播。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。光绕着银河系弯曲,以相同的概率绕过左侧或右侧,为了进行思维实验,每次到达地球的光只有一个光子。同样,我们面临着一个类似的选择:我们可以将照相底片置于光的到达点的中心,在那里干涉图案将逐渐显现,或者我们可以将望远镜指向银河系的左侧或右侧,以查看光的路径。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。我们决定它的路线(或多条路线)从开始到结束,尽管它已经开始了它的旅程十亿年前

一位名叫卡罗尔·艾利(Carroll Alley)的物理学家在观众席上聚精会神地听着。艾利在普林斯顿认识惠勒,他曾在物理学家罗伯特·亨利·迪克(Robert Henry Dicke)手下学习,他的研究小组提出了在月球上安装镜子的想法。

迪克和他的团队对通过观察月球和地球之间微妙的引力相互作用来研究广义相对论很感兴趣,这需要非常精确地测量月球沿着轨道扫过时到月球的距离。他们意识到,如果能在月球表面放置镜子,就能反射激光,并计算光线返回月球所需的时间。艾利成了NASA项目的首席调查员,并在月球上安装了三面镜子;第一个是1969年尼尔·阿姆斯特朗写下的。

现在,当艾黎听惠勒讲话时,他突然意识到,他可能能够使用与在实验室测量从月球反射的激光相同的技术来实现惠勒的视觉。从月球上的镜子返回的光信号非常微弱,以至于艾黎和他的团队已经开发出了测量单光子的复杂方法,这正是惠勒延迟选择设置所需要的。

1984年,艾利和奥列格·雅库博维茨(Oleg Jakubowicz)以及威廉·威克斯(William Wickes)最终完成了这项实验,他们两人当时都是观众。它就像惠勒想象的那样起作用:在现在进行的测量可以创造过去。我们曾经知道的时间是不存在的;过去不会在未来之前不可磨灭。在历史上,惠勒发现了一种酿制罪恶感的方式,一种潜伏在散兵坑里的方式永远不会变成石头。


那年晚些时候,他写道:“为什么存在?为什么量子?死刑是提出这样一个问题的惩罚吗?”


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。快点。生存之谜在嘲弄他。“我不是‘我’,除非我继续敲打这个螺母,”他写道。“停下来,我就会变成一个干瘪的老头。继续说下去,我眼睛里就闪着光。”

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被驱使的男人在孤独的探索中,他的影响是广泛的。近年来,斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和他的合作者、比利时库鲁汶理论物理研究所的托马斯·赫托格(Thomas Hertog)一直在开发一种称为自上而下宇宙学的方法,这是惠勒延迟选择的直接后代。霍金和赫托格认为,正如来自遥远类星体的光子在无人注视的情况下同时走多条路径一样,宇宙也有多个历史。正如观测者可以通过测量来确定光子数十亿年前的历史一样,只有当观测者进行测量时,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,霍金将惠勒当天在北卡罗莱纳机场点燃的火炬带回了北卡罗莱纳机场,并挑战了我们在这一过程中对时间的所有直觉。霍金写道,自上而下的方法“导致了对宇宙学和因果关系的一种完全不同的看法,”这正是惠勒在他自己创造的宇宙上吸引眼球时所追求的。

2003年,惠勒仍在追寻存在的意义。他在自己的日记中写道:“我无法如此合理地谈论‘为什么会存在’!”。“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。



阿曼达·的书擅自闯入爱因斯坦的草坪一本关于物理学、她父亲、宇宙、约翰·惠勒、虚无和一切的回忆录,本月由班塔姆出版。


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