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博览群书2006年第11期-第18章

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  时间的起点和终点。惠勒强调,物理实在不是从永恒的过去到永恒的未来的一直存在的。宇宙有起点——大爆炸,有终点——大爆缩;物理定律同样在大爆炸中产生,并且随着物理条件逐渐地达到极限而失去作用,最终在黑洞和大爆缩中终结。一切皆变,只有变是不变的。 
  这些思想沿着物理学的逻辑步步深入,一直推到似乎荒谬得难以接受的程度。这种思想方式已经成为惠勒的方法论。 
   
  二、方法论 
  惠勒给出了多种可操作的方法。有些是作为物理学家的经验之谈,有些则是惠勒的特殊心得。它们虽然来自具体的物理学问题,但是已经被惠勒有意识地推而广之了。该书第一章《先知七女:探求真理的佑助》是对方法论的集中论述。其他各篇的字里行间也不乏方法论的真知灼见。这里稍加综合,略述一二。 
  1.把理论推到极端。 
  推向极端,这是物理学家的一种常规手段。物理学系的大学生在习题课上常被耳提面命,对于一个复杂的物理过程,在暂无头绪时,可以先对结果的大致范围进行估计。这种方法不仅能用在物理学中,王朔小说《顽主》里,曾给出过类似的描述,一个女孩儿失恋,痛不欲生,葛优扮演的男士劝她:“遇到事儿,你先往坏里想,想到头儿,然后再往好里想,也想到头儿,就好了。”惠勒在考察核反应堆安全系数时,也要给出一个最坏情况分析。所以可以说,这是物理学家面对现实世界的一种本能的方法。 
  惠勒指出,理论物理学家的工作就是要主动把理论推到极端,使它尽快地出错!——找出理论的极限和实在的裂缝。该书第43页图3给出的理论变易性的阶梯也可以理解为理论不断推到极端的结果。对于理论来说,这是一种破坏性实验。毫无疑问,这种“破坏”会让一位醉心于思想的人为之着迷,所以爱因斯坦才会有“一生中最快乐的思想”,惠勒无疑沉浸在这种思想的狂欢之中,普朗克尺度、黑洞、大爆炸与大爆缩都是惠勒找到的实在的裂缝。 
  在惠勒的快乐思想中,geon(真子)占据着重要的位置。惠勒的自传以他的三个得意命名为名Ceons,Black Holes and Quantum Foam,其中黑洞的名气最大,此名一出,原来的“冻星”、“坍缩星”等名称很快就被人忘在了脑后。而geon则被惠勒排在了第一位。 
  Geon的思想过程凝聚了惠勒的多种手法,充分展现了物理学思想的质朴、简洁和魅力。可惜在本书只略略提过一次(第282页),并无详述。这里忍不住多说几句。 
  Geon是惠勒自创的名词,g指gravity,引力;e指electromagnetism,电磁。…On是代表粒子的后缀。惠勒的思路是这样的。根据广义相对论,质量(或者引力,比如太阳)能够对光产生作用,使之弯曲。再根据牛顿第三定律,光也能反作用于质量。光和质量能够相互作用,意味着光也能具有质量的效应,产生引力;于是,光必然能作用于光。如果我们用一个硕大的光子放到太阳的位置,也会产生类似的引力效应,使经过它附近的光线发生弯曲。但是,那根被弯曲的光线并不知道弯曲它的是真实的物质,还是一个(恰好从旁边经过的)没有物质的光子!于是,那个占据了太阳位置的光子,就是〃mass without mass”(可以译为“没有质量的质量”、“没有物质的物质”、“没有物质的质量”)。这个想法已经够令人惊奇了,但是惠勒把这个想法又继续向前推,向极端之处推。 
  在引力曲光效应中,引力越大,弯曲越大,当引力足够大时,必然会使得光线弯曲成圆,这时,光子就会被引力所束缚,围着束缚他的质量不断地绕圈子。但是,根据上面的分析,这个质量也同样可以替换成光子!于是,惠勒的问题是:要有一个多大的光子,能够把一个从它旁边经过的光子束缚住,这样的一个光子,惠勒命名为geon。实际上,geon不仅能够把经过它的光子束缚住,它本身也被自己的引力束缚住了。从远处看,我们无法分清,这个geon是一个类似太阳这样的真实物质,还是一个大光子!我们把等效原理稍作推广:如果匀速直线运动和静止不能表现出可以分辨的物理效应,则匀速直线运动就相当于静止;如果引力和加速度不能表现出可以分辨的物理效应,则引力就等效于加速度——广义相对论。同样,如果真实物质和geon表现出同样的引力效应,则geon就是一个真正的粒子。——故谐其音,反讽其意,译之为“真子”。台湾蔡承志先生译为“引力电磁体”,不妥。一,太长;二,这是一个粒子,而不是一个天体。 
  经过计算,一个最小的纯经典真子,其尺度相当于一个太阳,质量则是一亿个太阳的量级。大真子原则上可以大到宇宙的尺度,一个宇宙可能就是一个真子。惠勒认为,真子的巨大不能成为我们不去思考它的理由,相反,如果一种理论是正确的,那么,所有为这种理论所允许的东西,无论怎样超出想象,都会在实在中有显现的途经。黑洞就是这样。物理学家普遍愿意相信,凡可能是者,皆是。而惠勒则有着更强的信念:凡可能是者,必是。 
  “没有什么的什么”,这是惠勒自己颇为得意的想法。1980年代他访问中国时,曾经观看京剧《凤鸣岐山》,剧中姜子牙挥舞了一面变幻莫测的旗子,陪同人员解释,旗上的“无”字意为〃nothing”。惠勒感到非常有趣,认为与他的“没有什么的什么”有异曲同工之妙。 
  2.类比激发洞察。 
  类比同样是物理学家常用的手法,而惠勒则赋予类比以极高的价值和意义。在本书第一篇文章中,惠勒借用西碧尔之口,称“类比激发洞察”。使得类比这种辅助性方法,变成了创造新理论的工具。 
  在物理学史上,类比是一种常规武器。比如作为静电学基础的库仑定律,其实是模仿牛顿万有引力定律造出来的。早期建立在磁荷基础上的磁学把这种方法又重演了一遍。惠勒也在本书给出了一些具体的例子,比如玻尔的液滴模型就是在原子核与液滴之间进行类比。液滴已经被研究过了,关于液滴振荡模式的数学工作也已经非常成熟了。把原子核比较液滴,则液滴上的每一种效应,都应该在原子核里寻找对应。液滴的形变对应于原子核的什么?液滴表面的涟漪对应于原子核的什么?于是原子核理论得到了丰富和完善。 
  广义地说,物理学常用的模型方法也是一种类比。模型法是对现实的抽象,构造一个相对理想化的情境,考察在这种情境下会发生什么,这与极限法也有相通之处。类比也有助于理解,甚至是理解的前提。对于完全陌生的东西,对于超越感官的事物,我们只能用我们的熟悉的,感官能够认知的事物进行类比。从这个角度看,光性质的微粒说和波动说,也是两种不同的类比方式,是两种不同的模型。 
  类比方法同样超越于物理学之外。熟悉赋比兴的中国人对于类比手法并不陌生。不久前,刘华杰将科学传播活动与传教活动进行类比,结论新鲜有趣,入木三分。 
  惠勒对于实在本性的思考,对于物理学理论的思考,也大量地基于这种类比 
(或者模型)。尤其是,对于对称性所遮蔽的实在机制,惠勒指出,只有通过类比,才能有所把握。(《超越黑洞》等) 
  3.寻找悖论 
  所谓悖论,必然是和理论相关的。一种理论出现了悖论,往往被认为是这种理论的灾难。惠勒则认为,这是理论本身得以发展,得以完善的支点。所以惠勒主动地将理论推到极端,寻找悖论。惠勒还认为,最好能有两个悖论,这样就可以用一个对付另一个,两个互相参证,构成新理论的基础。 
  1979年3月,爱因斯坦百年诞辰纪念上,惠勒在他提交的《超越黑洞》中提出了物理学理论的两个悖论: 
  1.时间的边界告诉我们物理字将走到终点。然而,无论事物看起来发生了什么样的外部变化,物理学所说的永远是那个以其永恒的方式运行的东西。物理学在继续,但是物理学已经到了终点;物理学停下了,但是物理学在发展。这就是悖论一。 
  2.悖论二号是强加给我们的量子原理。在所有的基本量子过程中,观察行为或日记录行为,对于赋予我们所说的正在发生的事情以“切实的实在性”发挥着根本的作用。悖论二就是:宇宙独立于记录行为而存在“在那儿”,但是宇宙并不独立于记录行为存在在那儿。(第272页) 
  这两个悖论既是理论自身的悖论,也是物理实在的悖论。这正是惠勒作为物理学思想家终生迷恋的思想对象。 
   
  三、对未来物理学的思考 
  相对论和量子论,二十世纪上半叶最伟大的两个物理学理论至今不能融合,这本身也是一个悖论。作为为数不多的同时对量子论和(广义)相对论有深入研究的物理学家之一,惠勒同时进行着几个层面的思考,既考虑物理学本性的二阶问题,也构想未来物理学可能的基本因素。在本书最后一篇文章《万物源于比特》中,他提出了关于未来物理学的“三个问题”:存在如何,量子如何,观察如何创造?并提出了解决问题的“四个没有”的原则和“五条线索”。这些思想虽然已经构成了一个庞大的系统,各个部分之间有着紧密的联系,但是还没有形成完整的体系,依然包含着众多的猜想和可能性。而其魅力,可能恰恰来自于这些可能性。惠勒不是给出了答案,而是向我们提出了问题。下面举几个例子: 
  变易性。从物理学结构上,惠勒构造了一个变易性的阶梯。这个阶梯的最下层是最古老的弹性定律,弹性定律假设密度是不变的常量。而在我们能够产生足够的压力之后,密度就成为变量。化学价曾被认为是原子的固有属性,可以用来为原子排序,于是有门捷列夫元素周期表。但是原子核嬗变使这一条也发生了变化。每一条物理定律,都在某种物理条件的极端状态下被突破,被超越。依此类推,惠勒认为,一切定律都具有变易性(mutability),都不可能是不朽的,不可能像是刻在宇宙深处某一块石碑上的铭文,从永恒的过去一直到永恒的未来,一直存在。宇宙本身也有生有灭。物理世界和物理定律从大爆炸中进入存在,又将在大爆缩中遁出存在(在这样的描述中,似乎还有一个冥冥中的存在,超越于物理世界和物理定律。这是语言本身的无奈。事实上,我们对于时间的一切想象,都是以牛顿时间为背景的;我们对于空间的一切想象,也都是以欧氏空间为背景的。我们对于存在的想象,也是以牛顿的时空框架为背景的)。物理学定律到了最后,归结为一个恒等式,0≡0。边界之边界为零。于是,未来的统一物理学也必须满足边界之边界为零的条件。 
  物质的物理学和定律的物理学。惠勒认为,麦克斯韦时代的物理学是物质的物理学,这时物理学的目的是寻找构成物质世界的基本单元,把物理学的基础建立在更基本的粒子之上。而此后的物理学则是定律的物理学,具体的物理粒子成为理论本身的建构结果,不再基本。(《玛丽·斯科罗多夫斯卡·居里和小的世界》)惠勒
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