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| 约翰·惠勒 |
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| 黑洞 |
来源：名牌杂志
命名黑洞者约翰·惠勒去世
一个世纪的隐喻工作者
对于现代物理来说，风云诡谲、波澜壮阔的20世纪真正结束于2008年4月13日。这一天，亲眼见证了哥本哈根辩论的最后一位在世牛人约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）也撒手而去了，倘若宇宙的某个角落或者索性另外一个宇宙中，爱因斯坦和玻尔正翘首企盼着这个后生小辈到来，我想他们的欢迎辞早就呼之欲出了：嗨，约翰，听说那边这些年在折腾一个什么十一维的弦论，你给我们讲讲。
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只见惠勒小心翼翼从裤袋里掏出一根软皮管来，在引力场中用力甩了一甩：我知道你们一定会问的，所以，我早就准备好了！
文|小庄
这个以瑰丽想像著称的物理学思想家，向来是个能用最简洁方式诠释抽象理论的一把好手。他在跨越了好几个重要时代的职业生涯中灵感不断，创造了不少诸如“大烟龙”之类的精彩譬喻。
1927年索尔维会议上，爱因斯坦和玻尔之间曾发生了一次著名讨论，爱因斯坦毫不掩饰自己对于刚刚冒出来的量子力学思想的怀疑，他认为粒子是以确定样式在时空中演化的局部实体，确定的物体和可测的数量不会在浓重的空气中消失，只不过我们还不能精确地知道它们是什么，而玻尔驳斥说这个观点过于从逻辑上考虑问题，不确定性是避免不了的，并非说我们无法得到精确的测定值，而是我们将永远也无法移除对于它们的不确定性。历史给出的判决是玻尔成为了最终获胜者，他的哲学体系作为“哥本哈根阐释”而闻名于世。而他的得意门生惠勒，后来就把“哥本哈根阐释”描述为“大烟龙”。这是一个能够抵御任何针对它的屠杀企图的怪兽——有一个可见的头和一条可见的尾巴，但是看不到中间部分，在我们眼中，那里只不过弥漫着一团扰乱视线的烟雾。
而比“大烟龙”更为重要也更为人所知的一个贡献，是他命名了“黑洞”。4月14日，《纽约时报》向世人报道其去世的消息时，文章标题即为“命名黑洞的物理学家，逝于96岁”。
玻尔，爱因斯坦，核武器
约翰·惠勒，1911年7月9日出生于佛罗里达东北部港口城市杰克逊维尔的一个普通家庭，是家中最大的孩子，21岁从约翰·霍普金斯大学获得了博士学位，论文的内容是氦的散射与吸收原理。很快地，在与未婚妻珍妮特·黑格纳订婚后第3天，他就被送往哥本哈根，师从尼尔斯·玻尔。这位量子力学教父对弟子的影响之大，不仅仅限于学术和研究方面，更有关于人生态度，1985年美国物理学会的玻尔百年纪念会上，惠勒在讲话中提到一个玻尔曾经讲述给自己的佛祖的故事，然后不无深情地说：“玻尔本人对于人类问题的深刻理解，以及他对于身边那些人的强大影响，使我们相信，像耶稣、老子、孔夫子和佛祖这样的人，真的活着。”
1939年，惠勒随同恩师离开丹麦回到美国。在纳粹德国科学家已经成功地分裂了铀原子的几个星期后，他和玻尔一起作出了一个对核物理影响深远的贡献：核裂变的水滴模型。这个模型可以很好地解释铀核的分裂。
玻尔此行主要目的是和爱因斯坦一起讨论量子原理，但据惠勒回忆，“他和我交谈的时间比起和爱因斯坦要来得多”。从此，惠勒即开始了他的普林斯顿生涯，在那个年代，普林斯顿大学就是物理学的麦加圣地，因为它的高级研究院里汇集了爱因斯坦、约翰·冯·诺伊曼和哥德尔这样一批大人物。惠勒渐渐也和爱因斯坦混得很熟，经常在爱因斯坦家中和他手下的一批学生开研讨会。
“二战”开始后，惠勒和其他许多科学家一起参加了奥本海默领衔的“曼哈顿工程”。因为他能力出众，不久就担任了杜邦（杜邦公司当时无偿协助核计划，为大型核反应堆和钚生产设施建设提供技术服务，并且只收取了美国政府象征性的1美元报酬）科学顾问这一角色，并着手解决一个令众人困惑不已的难题——随着反应堆中的铀238衰变为钚，链式反应会突然中止，但是过一段时间又会重新开始，被称为反应“中毒”。
惠勒没花多少时间就揭示出了其中奥妙：核反应的副产物之一——氙的一种同位素氙135——对中子有很强的吸收能力，其数量聚集过多就会导致没有足够的中子去轰击铀核，出现“中毒”现象，但随着氙135不断衰变，吸收的中子数也持续下降，经过一段时间后，链式反应又将重新开始。这是“曼哈顿工程”中最有价值的发现之一。
对于惠勒来说，巨大的悲痛和遗憾在于原子弹未能更早被造出来用以阻止纳粹发动的战争，1944年他的弟弟乔死在了意大利战场。战后他仍然参与到了一些政府职务，和“氢弹之父”爱德华·特勒一起工作了好几年，此外还有导弹防御计划。这些事以他那些站在自由主义立场的同行看来，是不值得称道的。
相对论黄金时代，黑洞，定律失效
1952年，惠勒被普林斯顿委派以讲授相对论的教职。这在当时被认为是一门不适合在课堂中教给学生的课程，由于缺乏实验的支持，几乎面临末路。然而惠勒却以自己对该理论的深刻理解影响了一批学生，“他使相对论重新焕发了青春，使它成为实验对象，不再拘泥于数学公式裹足不前。”高级研究学院的理论物理学家弗里曼·戴森如是评价。
在惠勒领军之下，普林斯顿自此成为全美研究爱因斯坦相对论的中心。其间，和相对论有关的一个重要问题重新引起了惠勒的注意。事由还要回溯到1939年，奥本海默与其学生哈特兰德·斯奈德在《物理评论》上发表了一篇文章，指出爱因斯坦方程揭示出只要一个星体有足够大的质量，就能够坍塌到极大密度，以至于其产生的引力让光线也无法逸出，在中心区域，空间将会无限弯曲。惠勒最初不认同这个结论，1958年在比利时的一次研讨会上，他和奥本海默发生了辩论。
惠勒的观点是，坍塌理论对于这个星体上的物质的最终命运“没有给出一个可接受的理由”，他认为物理学绝对不会导致一个违背自己的情况出现——在奇点，所有的物理定律将不再适用。然而后来他终于改变了这个看法，认同无限坍塌是不可避免的，在其1999年出版的自传《真子、黑洞和量子泡沫：物理生涯》中，惠勒写道：“黑洞”告诉我们空间可以像一张纸一样被揉起直至捏成一个点，而时间则会像一个吹爆的气球那样消失；所有被我们尊为神圣的物理定律好像是不变的，其实不然。
1967年，在NASA“戈达德空间研究学院”的一次讲话中，惠勒第一次提出将上述天体称为“黑洞”，此名一出，原来的“冻星”、“坍塌星”等名字马上被人抛诸脑后。霍金对此的评价是“一项天才之举”。
没有什么的什么，云，延迟选择
惠勒后期的工作，越来越多地涉及到了哲学方法论层面，比如他主张将理论尽快推到极限，使它出错，导致实在的裂缝，黑洞就是一个绝好的例子。不过，他本人最为得意的命名却不是黑洞，而是另一项来自于极限的妙想：真子。
真子，Geon，g指引力gravity，e指电磁力electronmagnetism，on是代表粒子的后缀。这是惠勒设想出来的一个硕大光子，如果把它放到太阳的位置，会让经过的光线产生弯曲。有趣的是，光线本身不会知道让自己弯曲的是真实的质量还是没有质量的光子。经过计算，一个最小的纯经典真子具有炸面包圈的拓扑结构，其尺度相当于一个太阳，质量则达到一亿个太阳的量级，这种质量并不是真的质量，却是“没有质量的质量”（mass without mass）。“没有什么的什么”是惠勒自己十分推崇的想法，后来又拿来创造了“没有电荷的电荷”一说。上世纪80年代他曾受邀访问中国，观看京剧《凤鸣岐山》。剧中姜子牙挥的旗上有个“无”字，陪同人员解释是nothing，惠勒立即说这和“没有什么的什么”简直有异曲同工之妙。
惠勒曾经和朋友们玩“20问”的游戏，这个游戏的基本规则如下：游戏一方选定一样事物写下来，而另一方在不知道他写了什么的情况下，可以提出20个以内的问题，但提问者能得到的答案只有是或不是，最终根据这些是或不是猜出这个词。轮到惠勒猜的时候，他的对面有15个人，这些人一起商定了一个事物作为谜底。“是动物吗？”“不是。”“是矿物吗？”“不是。”“是绿色的吗？”“不是。”“是白色的吗？”“不是。”令惠勒感到奇怪的是，问题越问到后来，15个人给出答案的速度越慢，有时候需要讨论良久。最后当他胸有成竹说出“是云吗”，其余人集体答道“是”，爆出一阵哄堂大笑。
这位聪明绝顶的物理学家被告知，其实一开始根本没有定下任何词，他们商定无论从他口中说出任何词，只要和先前得到的答案不矛盾，就认为他答对了。
惠勒后来在一篇文章里写到了这件事，他阐述道，“云”产生出来的这个过程，其实是设谜者和猜谜者共同建立起来的，并由此作类比，实验者将要选择什么样的实验，向大自然提什么问题，会对亚原子行为产生某些实质性的影响。对于选定的任何一个测量将得到什么结果，亦即关于“大自然如何回答”或者“上帝在玩骰子”的时候会发生什么，存在某种不可预测性。
在量子物理的现实世界中，没有哪一个基本现象可成为“现象”——直到它被观察记录到为止，这就是哥本哈根思想的核心所在。在1979年普林斯顿纪念爱因斯坦诞辰100周年的专题讨论会上，惠勒提出了一个“延迟选择实验”，更把哥本哈根学派的思想推到了极致。这是一个爱因斯坦分光实验的延伸，它直接导致了一个震撼的推论：即观测者现在的行为有可能对遥远过去已经发生了的事件产生影响，这使得经典世界的因果观念受到了最大挑战。惠勒也借此表达了一个心愿：他一直思考的“存在如何？量子如何？宇宙如何？”等实在本性问题首先是物理学问题，而非哲学或者神学问题，它们应成为下一代物理学家所投身的目标。
黑洞究竟黑在哪里？
黑洞专家蔡荣根教授专访
《mangazine·名牌》邀请中科院理论物理研究所的蔡荣根教授解答了我们提出的几个关于黑洞的疑问。蔡教授的研究领域主要是引力理论、宇宙学、量子场论和超弦理论。近年来，在黑洞物理、弯曲时空场论、引力的全息性质、早期宇宙学、超弦理论等方面发表了上百篇论文，被引用二千余次。
文|小庄
mangazine·名牌：黑洞具有什么特征？关于黑洞的思想最早出现在什么时候？提出后有一个什么样的发展？
蔡荣根：从数学的方面来定义，黑洞是时空中的一个区域，这个区域的引力非常强，使得光也被吸引住了，在外部的观测者而言，只能是根本看不见的。从天体物理的角度来说，黑洞是一类特殊的天体，这一类恒星因为密度非常大，引力非常强，它只会吸收物质，不会发射出任何物质，我们是看不见的，所以叫做黑洞。
爱因斯坦在1915年建立了广义相对论，1916年，德国人卡尔·史瓦西（Karl Schwarzschild）求解爱因斯坦方程的时候就发现了这样一类解，在描写时空的度规上面有一个奇异性。当时认为这样的物体是不现实的，就没有引起大家的重视。后来由于像中子星、脉冲星、白矮星这样一些广义相对论预言的天体在观测中被不断发现，人们就认为黑洞作为广义相对论的一个解，在自然中也应该存在着。1960年代，美国科学家约翰·惠勒命名了黑洞。
mangazine·名牌：所谓“霍金辐射”是怎么一回事？
蔡荣根：为什么现在很多人研究黑洞，最重要的原因就是“霍金辐射”的被发现。1973年，惠勒和他的研究生贝肯斯坦提出这样一个问题，如果黑洞不辐射物质，这样的一个现象是违反热力学第二定律的。在物理学的运动过程中，整个系统的熵应该是增加的。如果说物体掉到黑洞里就看不到了，它的信息就丢失了，那不就违反了热力学第二定律了吗？贝肯斯坦通过研究发现，黑洞应该有一个熵，使得黑洞吸收物体的过程仍然满足热力学第二定律。
在贝肯斯坦作出这个结论之时，同时期的霍金也在做黑洞的经典研究。他一开始是反对黑洞有熵这个概念的，不过非常意外的是，1974年他在研究了黑洞外面的量子力学之后发现，黑洞事实上不是黑的，而是有所谓的“霍金辐射”，也就是说，黑洞可以向外辐射物质。 “霍金辐射”是以热辐射的形式向外辐射出各种各样的粒子，这个辐射唯一的参数就是温度。但对黑洞而言，温度是非常非常低的，大概只有10-12开尔文。所以实验上是没有办法观测到的。也就是说，现实当中，我们没法看到黑洞的存在。
mangazine·名牌：怎样才能观察到黑洞？目前为止，科学家有没有观察到过这种天体？
蔡荣根：要观测黑洞，只能是借助观测它周围物体的运动来确定。因为黑洞本身有着非常强的吸引力，物体会被吸引到黑洞里面去。这个过程当中，被吸引的物体会发出强大的X射线，通过观察X射线，我们可以证实，吸引周围物体掉到当中去的这样一个区域，就可以被认为是一个黑洞。有很多这种天体存在的证据，每一个星系的中心，比如说我们银河系的中心，都有一个大的黑洞存在。
mangazine·名牌：研究黑洞对物理学有何意义？
蔡荣根：前面说到，“霍金辐射”是一个量子现象。自然界中有四种相互作用：强力、弱力、电磁力和引力。前三者物理学家都可以用量子理论很好地描写它，而引力的量子化仍然没有完成，那么如果想建立一个好的引力量子理论的话，必须考虑许多和量子理论相关的现象。“霍金辐射”把广义相对论、热力学、统计物理和引力量子化这些重要的问题连接在了一起，所以，通过研究黑洞物理，我们可以在接近这样一个目标的过程中，得到许多的启示和帮助。
mangazine·名牌：有的科幻小说讲人落入黑洞视界之后，时间就停止了，人也不会老去，这种幻想在理论上有可能吗？
蔡荣根：在理论上来说，这是错误的。一个物体掉到黑洞里面以后，时间不会停止，但会接近一个时间的奇异点。在这个奇异点上，一方面所有物理学的定律失效，另一方面在那个点附近，潮汐力非常之大，头上和脚上的受力差别也非常大，人会被活活撕裂。
mangazine·名牌：大型加速器会不会产生黑洞？
蔡荣根：这个问题和我们的时空维度有关系。如果我们的时空维度是四维的话，引力常数的能标是普朗克能标Ge，是非常非常高的，那么像欧洲核子物理研究中心2008年马上要上马的LHC也是不可能产生黑洞的，但如果我们的时空是高维的，1998年有物理学家提出“膜世界图像”，如果它是存在的话，高维的引力在Te维的话，那么LHC就有可能产生黑洞。现在有很多物理学家都在研究这个问题，就是LHC上有没有可能观测到黑洞，关键依赖于建立什么样的模型。我们的世界有可能存在那些看不到的维度。
mangazine·名牌：黑洞会不会实际上是不存在的，它和暗物质或者暗能量之间有联系吗？
蔡荣根：认为黑洞不存在的言论一直就存在，但这并非主流的观点，因为黑洞所造成的扭曲确实有被观察到，所以大部分理论物理学家还是相信它的存在。暗能量在宇宙中是均匀分布的，不成团，因此和黑洞肯定没有关联，但微观黑洞可能会是暗物质的一部分。
疯狂老师的疯狂学生们
作为一位杰出的科学明星，惠勒留给这个世界的最大财富和最为持久的影响，应该是他“带大”的那些学生，其中不乏大名鼎鼎的理查德·费曼、休·艾弗雷特和贝肯斯坦。
理查德·费曼（Richard Feynman）
“物理顽童”费曼是1965年诺贝尔物理奖得主，他1918年出生于美国纽约皇后区小镇法洛克卫，1939年毕业于麻省理工学院，进入普林斯顿大学念研究生，成为惠勒的学生。1943年进入洛斯阿拉莫斯国家实验室，也参加过曼哈顿计划。因在量子电动力学方面的贡献与施温格、朝永振一郎共同获得诺奖。之后他跟葛尔曼（Murray Gell-Mann）研究弱交互作用，1963年出版了备受推崇的一本教材《费曼物理学讲义》。他最被人津津乐道的表现是1986年受委托调查挑战者号航天飞机失事事件，在国会用一杯冰水和一只橡皮环说明了出事原因。1988年2月15日，因腹膜癌逝世。
休·艾弗雷特（Hugh Everett）
艾弗雷特，一位被《美国科学人》杂志称为“20世纪最重要的科学家之一”的量子物理学家。作为《多世界理论》一书的作者，他曾激发了许多人的灵感创作出了众多科幻小说和电影。据说此君十几岁时就与爱因斯坦互相通信，争辩宇宙到底是随机的产物还是和谐统一的衍生物。后进入普林斯顿，1954年在惠勒的指导下完成博士论文，课题内容是在量子力学原理下阐释无限分支和裂分的平行宇宙——被惠勒称为“多世界”的一个概念。多世界诠释（many-worlds interpretation 或简称 MWI）是一种假定存在无数个平行世界，并以此来解释微观世界各种奇特现象的量子论。
艾弗雷特另一个耐人寻味的身份是摇滚乐队Eels主唱Mark Oliver Everett的老爸。
贝肯斯坦（Jacob D. Bekenstein）
1970年，霍金发现了“面积定律”，即黑洞的“视界”面积永远不会缩减，似乎与热力学第二定律有异曲同工之妙，但他并没有在此基础上更进一步，因认为既然绝对温度为零，所以黑洞视界肯定与熵没有关系。黑洞熵的发现权最终被惠勒的犹太学生贝肯斯坦得到。《约翰·惠勒自传——物理历史与未来的见证者》中写道：有一天我在办公室里和贝肯斯坦半开玩笑说，当我把一杯热茶摆在一杯冰茶旁边，并让两杯茶的温度都变成常温时，我都会感到内疚罪恶感。因为这个举动虽然让世界保持能量守恒，却增加了世界的熵。我告诉贝肯斯坦，我的罪过会持续到时间的尽头，没有办法可以予以消灭或是回复原貌。不过如果有一颗黑洞漂流经过，我就可以将热茶及冰茶抛到黑洞之中。这样一来是不是会将我的犯罪证据完全洗刷干净?
这番论述对贝肯斯坦产生了关键性影响，促使他有一天对老师说出了一番话：“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。”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。霍金对这位初出茅庐的小伙子根本不放在眼里，立即回应了一篇《黑洞力学中的四个原则》进行反驳。最后贝肯斯坦的想法被证明是对的。
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