物理学的阴影

惠勒

惠勒(John Archibald Wheeler,1911-)是一位关注实在本性的物理学家,他继承了哥本哈根学派的传统,并把这一学派的思想推到了极致。在惠勒看来,物理学和哲学之间并无截然分明的界限。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。’”(Wheeler & Ford,p.263)惠勒提出过很多具有哲学意味的物理学命题,如延迟选择试验、参与的宇宙等,都已成为科学哲学讨论的对象。

  我们能否希望终有一天抓住宇宙构造的中心原理呢?不错,爱因斯坦曾用一句名言向我们说过:“这个世界上最不可理解的事情就是世界是可以理解的。” 
  爱因斯坦逝世24年以来,我们取得了多少进步呢?粒子物理学的巨大发展,统一自然力方面的某些进展,等等。但是到头来我们必须说,所学越多,所知越少。在发挥这个主题之前,让我试着概述一下将要讲的东西。我要提起那条古代的物理学原理,“没有悖论,就没有进步。”此处我用“悖论”一词指的是困难、明显的不一致、所期望与所发现的东西之间的歧异等等。没有悖论,我们就不能得到任何真正新的东西;而有了悖论,我们就有了一点希望。为了取得进步,需要有两种因素既相对抗又相平衡。 
  今日物理学使我们面临着两个悖论的挑战。没有比它们更大的阴影了,但由于它们是破坏和建设的结合,也没有比它们更充满希望和鼓舞人心的了。第一个悖论是破坏性的,它声称物理学在时间的大门口——大爆炸、大坍缩和黑洞——走到了尽头;但另一方面,尽管有那么多表面上的变化,物理学在人们心目中始终仍在走着它的永恒之路。所以说,物理学停止了,但是物理学在进步,这就是第一个悖论。怎样消除这个困难呢?我想指出在物理学的描述中,“时间”不是一个原始范畴。因此我们使用时间已临近“时间的大门口”这一观念是错误的,正是这个错误才使我们陷入了第一个悖论。 
  第二个悖论是建设性的。它和量子力学有关,即与基本的量子观测行为——更确切地说是记录行为——在“造成”对象方面所起的作用有关。悖论何在呢?我们历来相信,物理学也总是预先假定:世界是存在于我们之外的,不依赖于任何观测行为。然而量子力学却告诉我们,世界并非存在于我们之外和独立于所有的观测行为。这就是第二个悖论。 
  这些悖论的教训是什么呢?可以用三句乩语式的格言来表达:“必须构造!确在构造!怎样构造?”没有什么东西能逃得脱第一条教训:“必须构造”。大爆炸告诉我们,无论粒子、力场还是自然规律都不可能永久存在,它们必定都有开端。 
  第二条教训是量子物理学的中心教义。每做一次基本的量子观测,我们就“构造”了一个我们称为实在的微观小体。第三条隐语“怎样构造?”概述了一个中心问题:怎样使一加一等于二?既然自然界已经通过基本的量子行为向我们显示了一条我们用以“确在构造”的途径,那么我们又何须另外去执行“必须构造”的律令呢?然而,不计其数的基本量子记录行为究竟是怎样结合在一起构造成大尺度水平上的实在呢?对此我们还根本一无所知。“怎样构造”这条隐语就是旨在号召我们解开这个谜。 
  我们并没有接触粒子和场物理学(这是当代进展所开拓的一个极宏伟的领域)中的奇妙发现,却怎么能够径直达到中心点呢?答案是简单的:所学越多,所知越少。 
  孩子们都喜欢送给他们中国套箱作为礼物。揭开一个,露出一个,揭开一个,又露出一个,直至最后露出那个秘藏的珍品。然而,要是这一列套箱没完没了,孩子们终究是会失去兴趣的。这难道就是我们在粒子物理学中的处境吗?我们从分子开始,然后是原子、核子、中子和质子,再后是各种各样的夸克。我的一位在这一领域贡献颇多的杰出的同事认为,我们能够做的只是设计更高能量的加速器,以便打开通向更小尺度的道路,去发现粒子世界更深层次的结构。我们距离那个古老的梦想——找到一种基本的单元,一种最终的粒子,一种其他所有一切赖以构成的魔术般的建筑砖块,依然和过去的人们一样遥远。 
  如果根本不存在处于物理学最底层的魔术般的粒子,那我们为什么不能转而用一种魔术般的力场来解释一切呢?在全部物理学中,再没有比电磁场、引力场与所谓场——米尔斯夸克束场的“三和弦”更优美的东西了。人们相信这最后一种场把夸克集在一起构成了中子、质子以及其它的基本粒子。这组“三和弦”解释了物体运动的所以然。 
  能否将这些力统一起来,作为单独一种场的诸方面呢?在过去若干年里,某些最有才能的物理学家已经向这个目标迈出了意义深远的步子。然而,不管我们是把这三种场看作彼此独立的,还是设想它们处于某种尚有待发现的统一之中,我们在今日的场与一百年前的弹性之间发现了某种相似性。只需要假定物体是匀质和各向同性的,人们就能够用简单的对称性论证表明弹性是仅仅由两个常数就能充分刻划的。在这个基础上,当时的物理学家建立了一个完备的理论,有定理,有分析方法,也有工程上的应用。但是弹性对于物质的本性却没有提供任何线索。对弹性进行一百年的研究也没揭示出分子与原子的存在。同样,对分子、原子之间的力作一个世纪的研究也不会揭示出它们仅仅是建立在正负电荷之间的力以及薛定谔波动方程之上。我们先得知道,不能用弹性来说明电子运动,而应该用电子运动来说明弹性。在这个意义上,我们发现理解的方向不是从表面的对称性指向内部机制,而应该反过来,从内部机制指向表面的对称性。

惠勒:一位具有独特个性的物理学大师

    当我开始看《惠勒自传——物理历史与未来的见证者》的时候,像往常一样,我先要看看这本书原文的书名,因为译者或出版者往往会独出心裁地换上一个与原来书名完全不同的书名,据说是为了更好地吸引读者云云。好在这本书的原文书名就附在书面上,免了我到处寻找。原文书名是:Geon,Black Holesand Quantum Foam:A Life in Physics。嗨,第一个字就把我考住了:Geon?没有见过。后面的字我都知道:黑洞,量子泡沫,物理学的一生。我还知道,“黑洞”就是传主惠勒教授为一种奇怪的宇宙客体发明的。我立即找来《英汉综合物理学词汇》,找不到!我想也许太专业了,于是又翻开近几年出版的宇宙学方面的书,例如惠勒的学生基普·索恩写的《黑洞与时间弯曲——爱因斯坦的幽灵》,和S.格林写的《宇宙的琴弦》,这几本湖南科技出版社出版的书地附有十分详细的索引(真是非常感谢湖南科技出版社!想到一些颇有名望的出版社居然任意砍去索引,总是气不打一处来! ),所以我可以迅速查阅,还是没有这个什么Geon!

  我想,先看下去吧,总会有一个地方作者会向读者交代的。果然,在中文版的311页我终于知道了什么是Geon。原来,又是这位颇喜欢发明新名字、而且又很会发明新名字的惠勒教授自己创造的一个名称。它由gravity,electromagnetism两个词的头两个字母和“on”这个词根组合而成,译者译为“重力电磁体”(译为“引力电磁体”更好)。

  不仅如此,我还从这本书中知道,“量子泡沫”也是惠勒教授发明的新名词。以前知道这个词,但是不知道是惠勒教授发明的。啊,现在我才知道为什么这本书名是《引力电磁体、黑洞和量子泡沫》了,原来这三个名称都是惠勒教授发明的!不过,Geon也许还没有被学界认可,所以一般情形下很难知道它是什么。惠勒教授真的了不起,不说别的,至少“黑洞”就会使他不朽。现在黑洞这个词不仅在科学上广为使用,一般语言好像也到处在使用它,甚至在国内有一部电视连续剧也取名《黑洞》,据说各界反映颇佳。所以,只要地球不毁灭,黑洞就不朽,惠勒教授也就当然跟着不朽啦!

  喜欢和善于发明科学名称,是惠勒教授一大特色。就拿“黑洞”来说吧,在惠勒教授没有发明这个名称之前很久,人们就开始讨论这种奇特的天体,还为它取了各种各样的名称,用得比较多的是“完全引力塌缩体”。惠勒教授认为这种称呼太繁,应该选一个简单易记又能反映其本质的名称。他回忆说:“几个月的思索,希望想出一个好名词。我在床上、在澡盆里、在车上,只要我有片刻宁静便开始左思右想。”想了好久都没有想出合适的。有一次在会议上他又一次提出这个星体的名称问题,有一个人说:“就称为黑洞如何?”这个突如其来的建议“正中下怀”,惠勒教授便在演讲、出版物上开始正式起用。但是,他以前的学生费曼坚决反对,还把惠勒教授数落了一通,说老师“太不正经了”,尤其是后来说“黑洞无毛”的时候,费曼说“这个用语实在不应该出自文雅人士之口”。我实在想不出费曼此说的道理,恐怕又是恶作剧吧?恶作剧可是费曼的拿手好戏呀!但是惠勒教授关于费曼反对“黑洞”这个名称又说得一本正经和有眉毛有眼的,我还真不知道该怎么想。不过,在法国倒真是抵制了好几年的时间,据说“黑洞”在法语里有淫秽的含义。不知道费曼反对是否与此有关?

二、把科学理论推向极致

  惠勒教授的另一个特色是喜欢把他认为合理的理论(如广义相对论、量子力学理论),推向极致。他说:

  我深信大自然会透过所有正确理论所导出的一切方程式来展现其真貌;如果核子可以呈现甜甜圈外形,那么我认为其中必然会有部分核子呈现出那种外形。……如果物质可以塌缩成为无限小或甚至于零尺寸,那么必然会有部分物质会塌缩。我们物理学者应该去思考发生这种极端行为的可能性,并着手寻找那种状况。

  我们也可以将理论推演到极致,并发现其中结构中所隐藏的破绽。例如:就在20世纪早期,牛顿的运动理论在宏观世界里虽是完美无瑕,然而一旦将其运用在小至单一原子的微观世界里就会崩溃失效。总有一天,我们会找到广义相对论的极限并发现其缺陷。那个极限也只有当我们将广义相对论往我们所能想到的各个向度推演到极致之时才会出现。

  正是出于这种思考,惠勒教授一生都在努力把相对论(和量子力学理论)向各个向度推向极限,也正因为这样,他的研究结论总是让人们一再惊诧莫名。在爱因斯坦没有去世的时候,他会把自己推向极致的设想拿去问爱因斯坦,爱因斯坦也常常感到困惑和不安。爱因斯坦去世以后,他的知音大都是年轻的物理学家,只有他们愿意与惠勒教授研究那些根本不知去向的问题。于是,从惠勒教授那儿传来了黑洞、引力电磁体、量子泡沫,还有虫眼、相对态(别人也许愿意称为“多重世界”或者“平行宇宙”)……等等。

三、喜欢与年轻人相处

  这种“推向极致”的研究又使得惠勒教授具有另一个特色:他周围总是有一群年轻人。他的著作几乎都是与学生合著的,例如《万有引力》、《惯性与重力》和《时空物理学》等等。他的研究生真是不少,而且许多都非常有名气,例如费曼、索恩、迈斯勒、普特南、贝肯斯坦……我实在数不清有多少。在这本书中,他谈到他的两个学生凯(Kay)和帕克(Hermon Parker)时写道:

  我从这两位学生身上发现我从教学上获益最大。从此我便经由教学相长获益。事实上,随着年岁渐长,我发觉自己只有透过教学才能学习新知。于是我喜欢说,大学拥有学生而得以教导教授。

  他还说:

  如今轮到(我的学生)来启发我的思考并继续努力突破障壁,让我们得以探索真相并发掘隐藏于其中的机制。因此当其中一位邀请我参与一项研究时,我相当高兴。

  能够这样坦率说话的,在知名教授中恐怕很少见吧?

  如果他错了,即使在学生面前,他也绝不护自己的短。他在这本传记中特别记述了这样一件事情:“我曾经有一个错误的结论,认为无论塌缩中的星体表面引力有多强,与地面垂直并向上直射的光线依然可以逃脱并携带出能量(与质量)。”后来他的几个学生证明这个结论是错误的,这使他恍然大悟,于是他真情地写道:“我们经常发现初学者可以看透云雾并引领我们看清事实。于是我很快就了解,只要质量凝聚的密度够大,其附近的任何辐射都逃不出其掌握。”

  还有一件事情也很值得回味。1970年,霍金发现了“面积定律”,即黑洞的“视界”的面积永远不会缩减,这似乎与热力学第二定律有异曲同工之妙。但是,霍金在这一伟大发现面前却步了,他认为既然黑洞的绝对温度为零,所以黑洞的视界肯定与热力学的熵没有关系。但是惠勒教授的一位犹太学生贝肯斯坦(Jacob Bekenstein)有一天对惠勒教授说:“黑洞视界的面积不只是接近黑洞的熵——实际上就是黑洞的熵。”惠勒教授在他的教学生涯里,经常看到自然会表现出乎我们意料之外的奇怪现象,所以对贝肯斯坦的极其大胆和奇怪的结论说:“你的想法相当疯狂,因此有可能是对的,那么你就去发表吧!”于是贝肯斯坦在1973年在《黑洞热力学》一文中正式发表了自己的观点。霍金被激怒了,立即回应了一篇《黑洞力学中的四个原则》的论文,反驳了贝肯斯坦。这场剑桥和普林斯顿的争论僵持了一段时间。贝肯斯坦后来回忆说:“在1973年那些日子里,经常有人告诉我走错了路,我只能从惠勒教授那儿得到安慰,他说,‘黑洞热力学是疯狂的,但疯狂到了一定程度之后就会行得通。’”开始霍金对这位初出茅庐的贝肯斯坦根本不放在眼里,但是,最后贝肯斯坦对了!于是,霍金的面积定律也由此有了更加重要的意义,这是霍金根本没有想到的。霍金后来虽然承认自己错了,但是有些遮遮掩掩,很不痛快,不像惠勒教授那样直爽。