博科園｜對本文你是什么想法？有什么疑問或靈感？評論區(qū)告訴我吧?(^?^*)點(diǎn)贊轉(zhuǎn)發(fā)分享一下哦

1945年約翰·惠勒參與研發(fā)的原子彈終結(jié)了第二次世界大戰(zhàn)，卻沒能來得及挽救已經(jīng)戰(zhàn)死的弟弟。這令惠勒懊悔不已，也讓他在后半生的學(xué)術(shù)生涯中，將大量精力用于研究時(shí)間與存在的物理學(xué)意義。這位為“蟲洞”、“黑洞”命名的物理學(xué)家，通過一個由雙縫干涉實(shí)驗(yàn)改造的思想實(shí)驗(yàn)，提出了大膽的時(shí)間觀：宇宙的歷史不是一成不變的，是我們的觀測決定了宇宙的演化歷程……

明信片上只寫了兩個字：“快點(diǎn)?！碑?dāng)他收到弟弟喬（Joe）的明信片時(shí)，33歲的物理學(xué)家約翰·惠勒（John Wheeler）正在華盛頓州的漢福德工作，那里有為洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）國家實(shí)驗(yàn)室（美國原子武器研究基地）提供钚的核反應(yīng)堆。那是1944年的夏末，喬當(dāng)時(shí)正在意大利的二戰(zhàn)前線奮戰(zhàn)。他很清楚他的哥哥在做什么。他知道，5年前，惠勒與丹麥科學(xué)家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）共同闡明了核裂變的物理機(jī)制：如果用中子去轟擊某些元素的不穩(wěn)定同位素，比如鈾或者不久后被合成的钚的同位素，沿著原子被轟擊的裂縫將釋放出難以想象的原子能。巨大的能量足以夷平一座城市，足以結(jié)束二戰(zhàn)。

收到弟弟的明信片后，惠勒盡可能加快了工作步伐。第二年夏天，曼哈頓計(jì)劃取得了成功。在新墨西哥州的穆爾托（Jornada del Muerto）沙漠上，物理學(xué)家引爆了人類歷史上的首次核爆炸，1000英尺內(nèi)的沙子都融成了玻璃。 曼哈頓計(jì)劃的項(xiàng)目主任羅伯特·奧本海默（Robert Oppenheimer）站在10英里外的安全區(qū)大本營里注視著這一切，心里默念起印度經(jīng)文《薄伽梵歌》（Bhagavad Gita）中的句子：“現(xiàn)在我成了死神，世界的毀滅者?！贝藭r(shí)身處漢福德的惠勒正想著一些不同的事情。他希望他們的成功為時(shí)不晚。他不知道的是，在佛羅倫薩附近的山坡上，他的弟弟喬躺在一個坑里，已經(jīng)沒了呼吸。

惠勒得知這個消息后悲痛欲絕，陷入了深深的自責(zé)。“如果原子彈項(xiàng)目能早一年開始，然后早一年結(jié)束，也許就能多挽回1500萬條性命，而我的弟弟喬就在其中，” 他在回憶錄中寫道，“如果當(dāng)初我努力嘗試的話，也許我可以說服決策者?！睍r(shí)間。作為物理學(xué)家，惠勒曾經(jīng)滿懷好奇地想要理解這個神秘的維度?，F(xiàn)在，喬去世了，這個問題就成了私人恩怨。

“阻礙我徹底理解存在的意義的所有障礙中，沒有什么比‘時(shí)間’更讓人沮喪，”惠勒在日記里寫道，“解釋時(shí)間？你得解釋存在。解釋存在？你得解釋時(shí)間?！痹谒松尼∧宦湎轮?，惠勒比所有其他思想家都更加徹底地改變了我們對時(shí)間的理解——這是對弟弟的紀(jì)念引發(fā)的改變，一場由悔恨激起的革命。

時(shí)間之謎

1905年，也就是惠勒出生前六年，愛因斯坦闡述了狹義相對論。他發(fā)現(xiàn)時(shí)間在每個地方并不是以一致的速度穩(wěn)定流動; 相反，它與觀察者的運(yùn)動有關(guān)。你運(yùn)動得越快，時(shí)間走的越慢。如果你能像光一樣快，你會看到時(shí)間停止并消失。但是，幾年之后，量子力學(xué)的公式將物理學(xué)家引向了相反的結(jié)論。量子系統(tǒng)是由被稱作波函數(shù)的數(shù)學(xué)波描述的，它描述了在測量下發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)處于任何給定狀態(tài)的概率。但波函數(shù)不是靜態(tài)的，它會隨著時(shí)間演化。換句話說，時(shí)間是定義在量子系統(tǒng)之外的，就像一個外部時(shí)鐘，一秒接著一秒，每一秒都有絕對的長度。這是對愛因斯坦理論的公然挑戰(zhàn)。

這就是惠勒在20世紀(jì)30年代踏入物理學(xué)領(lǐng)域時(shí)的情形——兩種理論僵持不下，時(shí)間的本質(zhì)也就懸而未決。1940年的一個晚上，惠勒第一次隱約感覺到時(shí)間并不像看上去那樣。當(dāng)時(shí)他在思考有關(guān)正電子的問題。正電子是電子的反粒子，有著相同的質(zhì)量，相同的自旋，以及相反的電荷。但是，為什么會存在這樣的反粒子?當(dāng)他產(chǎn)生那個想法時(shí)，惠勒在電話里對他的學(xué)生理查德·費(fèi)曼說?:“它們都是相同的粒子!”

想象一下，在整個宇宙中只有一個電子，當(dāng)它在時(shí)空中蜿蜒前行，沿著錯綜復(fù)雜的路徑，以至于我們產(chǎn)生錯覺：單個粒子產(chǎn)生了無數(shù)粒子，包括正電子。惠勒宣稱，正電子只不過是在時(shí)間上反向運(yùn)動的電子。(善良的費(fèi)曼在1965年諾貝爾物理學(xué)獎的獲獎感言中說，這個想法是他從惠勒那里“竊取”的。)

完成曼哈頓計(jì)劃后，惠勒渴望回到普林斯頓去研究理論物理學(xué)，但計(jì)劃遭到了推遲。后來，他加入了物理學(xué)家愛德華·特勒(Edward Teller)的團(tuán)隊(duì)，在洛斯阿拉莫斯********更致命的武器——?dú)鋸棥?952年11月1日，惠勒乘柯蒂斯號，在距離埃魯格拉布（Elugelab）島約35英里的太平洋海面上，目睹著美國引爆了一顆氫彈，其能量是摧毀廣島的原子彈的700倍。測試結(jié)束后，那座太平洋小島也就此消失。

并非基本？

完成了在洛斯阿拉莫斯的工作后，回到普林斯頓大學(xué)的惠勒愛上了廣義相對論和萬有引力。廣義相對論描述了質(zhì)量如何將時(shí)空扭曲成奇異的幾何形狀，也就是我們所稱的引力?；堇障胫罆r(shí)空的形狀能變得多奇怪。當(dāng)惠勒把這個理論推到極限時(shí)，他被一個似乎能顛倒時(shí)間的東西深深吸引了。它被稱為愛因斯坦-羅森橋（Einstein-Rosen bridge），就像一條在宇宙中開辟捷徑的隧道，連接了時(shí)空中相距很遠(yuǎn)的點(diǎn)。當(dāng)你從一頭進(jìn)去、從另一頭出來，就可以做到跑得比光速快，或者在時(shí)間上倒退?；堇罩廊绾谓o晦澀難懂的數(shù)學(xué)概念取一個好名字來賦予它們生命，1957年，他給這個扭曲的實(shí)體取了個名字：蟲洞（wormhole）。

當(dāng)他在關(guān)于時(shí)空的理論中進(jìn)一步推進(jìn)時(shí)，惠勒遇到了另一處引力異常。在這里，質(zhì)量密度如此之大，以至于引力變得無限強(qiáng)大，時(shí)空被無限扭曲。同樣，惠勒給它起了個名字：黑洞。這是一個“時(shí)間”失去意義的地方，仿佛時(shí)間在這里從未存在過。 “每個黑洞都會終結(jié)時(shí)間?！被堇者@樣寫道。

20世紀(jì)60年代，越南戰(zhàn)爭撕扯著美國的文化，惠勒卻在努力地修補(bǔ)廣義相對論和量子力學(xué)之間的裂痕，這個裂痕叫作時(shí)間。1965年的一天，惠勒在北卡羅來納州等待轉(zhuǎn)機(jī)時(shí)，請同事布萊斯·德威特(Bryce DeWitt)在機(jī)場陪了他幾個小時(shí)。在機(jī)場，惠勒和德威特寫下了一個波函數(shù)方程，惠勒稱之為愛因斯坦-薛定諤方程，后來人們將其命名為惠勒-德威特方程。(德維特后來叫它“那個該死的方程”。)

惠勒和德維特的波函數(shù)描述的不是某個實(shí)驗(yàn)室中粒子的運(yùn)動，而是整個宇宙。唯一的問題是，時(shí)鐘應(yīng)放在何處？他們不能把它放在宇宙之外，因?yàn)楦鶕?jù)定義，宇宙沒有外部。所以，他們的方程在成功地結(jié)合了相對論和量子理論精華的同時(shí)，也描述了一個無法演化的宇宙——陷入單一、永恒的瞬間中，如同被凍結(jié)的宇宙?；堇諏οx洞的研究已經(jīng)表明，如同電子和正電子一樣，我們或許可以彎曲和折斷時(shí)間箭頭。與此同時(shí)，他在黑洞領(lǐng)域的工作使他懷疑，時(shí)間在本質(zhì)上是不存在的。那個該死的方程讓惠勒有了一個揮之不去的預(yù)感，那就是時(shí)間不可能是現(xiàn)實(shí)的基本要素。就像愛因斯坦說的，它一定是一種頑固而持久的錯覺，是我們被困在一個只有內(nèi)部的宇宙中的結(jié)果。

惠勒確信存在之謎（反過來也是時(shí)間之謎）的核心線索是量子測量。他發(fā)現(xiàn)量子理論的奇異之處在于，當(dāng)觀察者進(jìn)行測量時(shí)，他測量的并不是世界上已經(jīng)存在的東西。相反，是他的測量通過某種方法將這種東西變成了現(xiàn)實(shí)——一個匪夷所思的事實(shí)，很難讓人相信，除非是被雙縫實(shí)驗(yàn)一遍又一遍地證實(shí)。這個實(shí)驗(yàn)一直縈繞在惠勒的腦海中。

雙縫實(shí)驗(yàn)

在這個實(shí)驗(yàn)中，激光源每次發(fā)射出單個光子，打在一塊刻有兩條平行狹縫的屏幕上，然后落在另一邊的感光板上，留下一個光點(diǎn)。每個光子有一半的機(jī)會通過兩條狹縫中的一條,所以經(jīng)過很多次之后, 你會認(rèn)為感光片上應(yīng)該有兩個大光斑，一個光斑代表著通過狹縫A的那部分光子，另一個光斑代表著通過狹縫B的那部分光子。實(shí)際上不是這樣。相反，你會看到一系列的黑白條紋——一個干涉圖樣。“看著這個實(shí)驗(yàn)，量子行為變得栩栩如生，”惠勒寫道，“盡管它在概念上很簡單，但卻醒目地揭示了量子理論令人難以置信的奇異之處?！?/p>

盡管聽上去匪夷所思，但干涉圖樣的出現(xiàn)只能意味著一件事:每個光子同時(shí)穿過了兩條狹縫。當(dāng)光子飛向屏幕時(shí)，可以用量子波函數(shù)描述，在屏幕上，波函數(shù)一分為二。同一個光子的兩個版本分別穿過了兩個狹縫，當(dāng)它們在另一邊出現(xiàn)時(shí)，波函數(shù)重組——只是現(xiàn)在它們有些不同步了。在波對齊的地方，光被放大，在板上產(chǎn)生亮條紋，在它們不同步的地方，光自我抵消了，留下暗條紋。

然而，當(dāng)你試圖捕捉穿過縫隙的光子時(shí)，事情就變得更加奇怪了。在每個狹縫處放置一個探測器，然后再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，光子一個接一個地發(fā)射，感光片上開始出現(xiàn)圖樣。這時(shí)的圖樣不是條紋，而是兩個大光斑，每個狹縫對著一個：每個光子一次只走一條路徑，好像它知道自己被監(jiān)視了。光子當(dāng)然什么都不知道。但是一旦選擇了測量系統(tǒng)的哪個屬性，我們就決定了系統(tǒng)的狀態(tài)。如果我們不問光子走哪條路徑，它會同時(shí)走這兩條路徑。我們的詢問決定了路徑。

惠勒想知道，這個想法能否推廣開來。我們可以詢問存在的起源嗎，大爆炸和138億年的宇宙歷史呢？宇宙的誕生呢？?“量子原理是巨型冰山的一角，”惠勒于1974年6月27日在他的日記中寫道，“過去、現(xiàn)在和未來的關(guān)系比我們想象的更緊密。”

延遲選擇

在他的日記里，惠勒為宇宙畫了一幅類似大寫字母U的畫，一只巨大的眼睛位于最左端，目光穿過這個字母中間的深淵，注視著最右端，那里是時(shí)間的起源。當(dāng)你從右往左，沿著“U”字形去看，你會看到隨著時(shí)間推移，宇宙在成長。恒星形成然后死亡，將它們的原料（包含碳）噴向空曠的宇宙。在天空的一角，一些碳落在一顆巖石行星上，合并成一些原始的物質(zhì)，生長，演化，直到…一只眼睛! 宇宙創(chuàng)造了一個觀察者，現(xiàn)在，在量子測量行為下，這個觀察者回望并且反過來創(chuàng)造了宇宙。惠勒在這幅畫下面潦草地寫道：宇宙是一個自激的系統(tǒng)。

惠勒知道，這幅畫的問題在于它與我們對時(shí)間的最基本理解相沖突。電子在時(shí)間上反向運(yùn)動或者蟲洞逆轉(zhuǎn)了時(shí)間的箭頭是一回事，而討論因果關(guān)系又完全是另一回事。我們原以為是“過去”流向了“現(xiàn)在”，如今的情況是“現(xiàn)在”反過來產(chǎn)生了“過去”。1979年，惠勒在馬里蘭大學(xué)的一次演講中，提出了一個大膽的思想實(shí)驗(yàn)，這個實(shí)驗(yàn)后來成了他關(guān)于時(shí)間的觀點(diǎn)最經(jīng)典的應(yīng)用：延遲選擇。

惠勒意識到，可以調(diào)整雙縫實(shí)驗(yàn)，讓觀察者能夠在光子穿過狹縫以后再決定他想看到的是條紋還是光斑——也就是說，他可以創(chuàng)造現(xiàn)實(shí)。在光子打到感光片之前的最后一刻，他可以選擇取下感光片，換成兩個小望遠(yuǎn)鏡：一個指向左邊的狹縫，另一個指向右邊的狹縫。望遠(yuǎn)鏡能分辨出光子穿過的是哪個狹縫。但是如果觀察者不換走感光板，干涉圖樣就形成了。觀測者的延遲選擇決定了光子是走了一條路徑還是同時(shí)走了兩條路徑。對惠勒來說，這不僅僅是好玩，也是為了研究宇宙存在的線索。他需要這個機(jī)制來讓他的U型圖發(fā)揮作用，進(jìn)而改變時(shí)間的規(guī)則，讓誕生于138億年前的宇宙，被我們自己創(chuàng)造于當(dāng)下。

惠勒說，要明白這一點(diǎn)，只需進(jìn)行延遲選擇實(shí)驗(yàn)，并將其放大。想象一下光從十億光年外的類星體向地球飛來。一個巨大的星系位于類星體和地球之間，它的引力場像透鏡一樣改變了光的路徑。光線在星系周圍彎曲，以同樣的概率從它的左邊或者右邊繞過，為了進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)，假設(shè)每次只能有一個光子到達(dá)地球?，F(xiàn)在我們面臨著相似的情況:我們可以將感光板置于光線到達(dá)點(diǎn)的中心，在那里，干涉圖樣將逐漸出現(xiàn)；或者我們可以將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)銀河系的左邊或右邊，看看光線經(jīng)過的路徑。我們的選擇決定了光子經(jīng)歷了兩個互斥的歷史中的哪一個。我們決定了它從開始到結(jié)束的路線，盡管它在10億年前就開始了它的旅程。

1984年，物理學(xué)家卡羅爾·阿利（Carroll Alley）最終完成了這個實(shí)驗(yàn)，他是惠勒演講當(dāng)天在場的觀眾。正如惠勒所想象的那樣：在現(xiàn)在進(jìn)行的測量可以創(chuàng)造過去。我們曾經(jīng)熟知的時(shí)間并不存在；過去并不是不可改變地發(fā)生在將來之前。惠勒發(fā)現(xiàn)，歷史從不是一成不變的。

與時(shí)間賽跑

盡管如此，惠勒還是沒有弄清一些基本的問題。他知道量子測量可以讓現(xiàn)在的觀察者創(chuàng)造過去，宇宙通過自身的力量讓自己存在。但是量子測量是如何做到的?如果時(shí)間不是基本的，為何它又如此無情?“我得繼**磕這個問題，否則我就不是‘我’了”，惠勒在日記里寫道，“停下來，我就會變成一個畏縮的老頭；接著做，我的眼睛才會繼續(xù)閃光?！?/p>

1988年，惠勒的健康狀況有所惡化。他兩年前就已經(jīng)做過心臟手術(shù)了，現(xiàn)在，他的醫(yī)生說他可以再活三到五年。在死亡的威脅下，惠勒變得沮喪起來，他擔(dān)心自己無法及時(shí)解開存在的奧秘，甚至無法彌補(bǔ)挽救不了弟弟的失敗。他在日記中“致歉”的標(biāo)題下寫道，“要發(fā)展這些想法需要多年的時(shí)間，而我已經(jīng)76歲，我沒有時(shí)間了。”

幸運(yùn)的是，就像之前的科學(xué)家一樣，醫(yī)生們把時(shí)間的本質(zhì)搞錯了?；堇昭劾锏墓饷⒗^續(xù)閃耀，他不斷鉆研量子力學(xué)的奧秘和時(shí)間的奇怪循環(huán)?！霸诹孔庸廨x的背后，是恥辱”，他在1999年6月11日寫道，“為什么是恥辱?因?yàn)槲覀內(nèi)匀徊幻靼琢孔邮窃趺磥淼摹Ａ孔邮怯钪孀晕覄?chuàng)造的信號?”那一年晚些時(shí)候，他寫道：“存在是怎么來的?量子是怎么來的?對于提出這樣的問題的人，難道死亡就是懲罰嗎？”

雖然惠勒的日記展示了一個孤獨(dú)求索的人，但他的影響卻非常深遠(yuǎn)。在他生命的最后幾年，斯蒂芬·霍金和他的合作者、比利時(shí)魯汶大學(xué)理論物理研究所的托馬斯·赫托格共同發(fā)展了“自上而下”的宇宙學(xué)，這是惠勒推遲選擇的直接產(chǎn)物。正如來自遙遠(yuǎn)類星體的光子在無人注意的情況下會同時(shí)走多條路徑一樣，霍金和赫托格認(rèn)為，宇宙有著多重歷史。

正如觀測者能夠測量出數(shù)十億年前光子的歷史一樣，宇宙的歷史只有在觀測者進(jìn)行測量時(shí)才會成為現(xiàn)實(shí)。通過將量子力學(xué)定律應(yīng)用于整個宇宙，霍金在惠勒的基礎(chǔ)上挑戰(zhàn)我們對時(shí)間的直覺?！白陨舷蛳碌姆椒▽?dǎo)致了一種完全不同的宇宙觀，”霍金寫道，“以及因果關(guān)系?！边@正是惠勒對他創(chuàng)造的宇宙的描述。2003年，惠勒還在追尋存在的意義?！拔覠o法想象我能如此理智地談?wù)摗疄槭裁创嬖凇?，他在日記中寫道，“我剩下的時(shí)間不多了!”2008年4月13日，在新澤西州海茨敦，96歲地約翰·惠勒最終失去了與時(shí)間賽跑的機(jī)會。那頑固而持久的幻覺。

博科園-科學(xué)科普文

文：Amanda Gefter/環(huán)球科學(xué)ScientificAmerican/******ukexue

博科園-傳遞宇宙科學(xué)之美