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黑洞故事的英雄說:第一次遇見愛因斯坦,我才22歲

2024-08-13科學

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他對物理學總是保有一種令人震驚的洞察力,而且沒有什麽理論物理學主題是他尚未深入思考過的。

——約翰·惠勒

約翰·阿茲波特·惠勒 (John Archibald Wheeler) 是美國物理開拓時期傑出的理論物理學家。他職業生涯的大部份時光都在普林斯頓大學度過,從事原子核結構、粒子理論、廣義相對論及宇宙學等研究。

惠勒是廣義相對論和量子重力研究領域領軍人物,也是「黑洞」「量子泡沫」「中子慢化劑」「蟲洞」「位元」等概念的首創者,還創造性地提出了「單電子宇宙」的假設。史帝芬·霍金稱他為「黑洞故事的英雄」。

惠勒的代表作有【宇宙逍遙】 ( At Home in the Universe ) 、【約翰·惠勒自傳】 ( Geons, Black Holes and Quantum Foam: A Life in Physics ) 等。

在美國文學經紀人約翰·布羅克曼 ( John Brockman ) 的邀請下,惠勒講述了自己與愛因斯坦的人生交集,受到了對方怎樣的影響,以及他眼中——愛因斯坦對科學、文化和人類想象力的深遠影響。

愛因斯坦(左一)和惠勒(右一)

1933年秋天第一次遇見愛因斯坦時,我才22歲,是一名初出茅廬的博士生。愛因斯坦那時54歲,是世界上最知名的科學家。那時的我年少輕狂,堅定地認為我對理論物理學的前沿領域——核物理、電子、正電子和光子的量子理論 (配對理論,我們那時是這麽稱呼的) 有著清晰的認識。那時我想研究前沿領域,清楚地註意到愛因斯坦有條研究路線必定會走入死胡同。

我們相遇的場合是愛因斯坦在普林斯頓大學的第一場演講,當時他也是剛剛到達這裏,在普林斯頓高等研究院就職。由於害怕引起大規模圍觀,這場演講並沒有對外部公開。當時普林斯頓大學一位之後成了我好朋友的教授尤金·維格納 (Eugene Wigner) 致電紐約大學的格雷戈裏·布韋特 (Gregory Breit) ,並邀請他來參加講座。我那時是布韋特的博士後,他邀請我一起去。於是,我們坐火車來到了普林斯頓,由於火車遭遇了一位農民的卡車 (還好沒什麽大事) 而稍有延誤。到了普林斯頓大學後,霍華德·羅拔臣 (Howard Robertson) 將我們介紹給了愛因斯坦 (我印象中是這樣) ,之後聽取了愛因斯坦關於統一場論的講座。演講結束後,我們常規地交流和討論了一會兒,之後便回到了紐約。

令我印象深刻的是愛因斯坦清晰的表述能力和他對夢想的固執追求,而對於他的夢想本身——重力和電磁力統一場論,並沒有什麽印象。

愛因斯坦帶著一種自嘲的幽默感表達對自己當前研究工作的懷疑。我那時被說服了,並一直認為如果物理世界真的存在統一場論,那麽就一定不只有重力和電磁力,一定還包含量子實體,比如費米子。誰知道呢,可能弦理論才是正確的。

現在想來,那時的我雖然有些魯莽,但並沒有錯。愛因斯坦的重要發現已經是過去式了,他試圖統一重力和電磁力的努力不會有什麽結果。然而,他對物理學總是保有一種令人震驚的洞察力,而且沒有什麽理論物理學主題是他尚未深入思考過的,這些都是非常值得我學習的。

北卡羅來納大學的一次短期休假給了我第一次結識愛因斯坦的機會。在普林斯頓高等研究院學習的那幾個月,也就是1936年12月到1937年3月,我開始感激愛因斯坦為我這位年輕的理論學家所提供的東西。我在這裏第一次演講時,僅僅是他的出現就讓我備受鼓舞。那天我早早地到達演講大廳時,愛因斯坦已經坐在那裏了,他是第一位到達的觀眾。

1938年進入普林斯頓大學之後,我開始定期地約訪愛因斯坦。通常我們會在愛因斯坦位於美世街112號的家中的二樓書房見面,而非研究院。他總是很慈祥,帶點兒固執,無憂無慮且樂於助人。雖然我們變得親近且友好,但從未成為親密的朋友。在年齡、聲譽、文化背景和世界觀方面,我們倆之間存在著無法彌合的差異。然而在余生裏,愛因斯坦一直是我最重要的導師和決策咨詢人。

1939年1月,尼爾斯·玻爾 (Niels Bohr) 從丹麥起航,到普林斯頓待了幾個月。他和愛因斯坦可以再次進行他們已經非常著名的關於量子理論的「辯論」 (其實是友好的討論) 。然而就在玻爾剛要起航回國時,他收到了核分裂的資訊,於是改變了這一行程。我想說的是,對自己在阻止這些討論發生的事情中所扮演的角色,我感到很內疚。玻爾和愛因斯坦都喜歡既輕松愜意又能延續過去的主題的「辯論」。不過那年冬天和來年早春,玻爾選擇和我一起專註地研究核分裂。即使玻爾的辦公室就在愛因斯坦位於普林斯頓大學費恩大廳的辦公室隔壁,他們倆也很少在一起。直到研究院位於城鎮另一頭的第一座大樓在1939年完工前,愛因斯坦和研究院其他同事都居住在大學校園裏。

不久之後,一個偶然的機會讓我加入了愛因斯坦的量子「辯論」。1941年,我的一位天賦異稟的研究生 李察·費曼 (Richard Feynman) 想出了一個量子理論的路徑積分方法 (我將其改名為「歷史求和法」) ,於是,我安排了一次跟愛因斯坦的會面,激動地沖進他的辦公室跟他說這個方法,想知道他的回應。費曼的方法提供了一種基本原理,可以用來解釋量子力學的概率特征問題,而這個問題一直困擾著愛因斯坦。如果一個粒子能一次沿著所有路徑到達目的地 (虛擬路徑)—— 這也是歷史求和法的本質,那麽我們就不需要再考慮粒子如何「決定」該走哪條路的深奧問題。我解釋了這個想法並說道:「關於這種解釋量子力學的新方法,你不覺得這是完全可行的嗎?」

愛因斯坦不為所動。「我仍然不相信上帝會擲骰子。」他回答道。正如愛因斯坦自己所形容的,他就像頭騾子一樣倔。沒有什麽能動搖他的堅定信念:量子力學在核心問題上存在缺陷。

第二次有機會向愛因斯坦咨詢關於我跟費曼的研究課題,是在20世紀40年代後期,也就是在我從第二次世界大戰的武器研究工作回來之後。當時費曼正在普林斯頓大學存取,和我一起去了美世街。這次的談論主題是經典物理學,愛因斯坦對量子力學的敏感反應沒有影響到這次討論。我和費曼決定將電磁理論中的「場」去掉,結果我們欣喜地發現,整個理論確實可以用「超距作用」理論來解釋,而無須用到場,只要我們接受了「超前」作用的事實,也就是結果先於原因發生。我們的研究還得出了一個有趣結論,在一個粒子非常少的世界,時間可以隨意前進或倒流,使得未來影響過去成為常態;然而相反的是,我們的世界充滿了無數粒子,遠距離上的所有輻射吸收者的聯合作用抑制了時間倒流的效應,這才產生了我們所觀測到的只朝一個方向流逝的時間。

和愛因斯坦討論這個是很自然的一件事。他點頭表示同意和理解。他相信,電磁學的基本定律不包含時間向前流逝而非向後倒流的偏向。他說,觀測到的時間單向流動源於統計,這是因為宇宙中有大量粒子的相互作用。這就是愛因斯坦驚人直覺的最佳體現。我和費曼歷經了漫長的計算才有所發現,而愛因斯坦僅憑猜想就得出了結果。

幸好早先與愛因斯坦有過一次對話,我早在1909年就知道了愛因斯坦當年和瑞士物理學家禾特·裏茨 (Walter Ritz) 聯合發表了一篇論文。這是一篇非比尋常的論文,原因有兩方面:第一,它提出了觀點,而非展示成果;第二,兩位作者並未達成一致。在這篇論文中,裏茨認為自然的不可逆狀態 (時間的單向流動) 是自然本身的基礎法則;而愛因斯坦的觀點則相反,「不可逆狀態完全依賴於概率考量」。我和費曼40年後所做的研究驗證了愛因斯坦的觀點。

END

本文選自【我的愛因斯坦】

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