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约翰·阿奇博尔德·惠勒

(美国物理学家、物理学思想家、物理学教育家)
最后更新于:2024-06-03 07:30:41

约翰·阿奇博尔德·惠勒简介

约翰·阿奇博尔德·惠勒

约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler,1911年7月9日—2008年4月13日),美国物理学家、物理学思想家和物理学教育家。1911年7月9日,约翰·阿奇博尔德·惠勒出生在美国的佛罗里达州;1933年获得约翰斯·霍普金斯大学博士学位后来到丹麦哥本哈根,在尼尔斯·波尔指导下从事核物理研究;1937年惠勒提出了粒子相互作用的散射矩阵概念;1939年与尼尔斯·波尔、前苏联的弗朗克尔一起提出重了原子核裂变的液滴模型理论;1957年与米斯纳开始发展“几何动力学”;1965年获得爱因斯坦科学奖;1969年惠勒在纽约的一次会议上首次使用“黑洞”一词;1968年获得原子能委员会恩利克·费米奖;1982年获得玻尔国际金质奖;1983年他提出了参与宇宙观点;1993年,获Matteucci Medal;1997年获得沃尔夫奖;2008年4月13日,因患肺炎医治无效,在位于其新泽西的家中逝世,享年97岁。惠勒的主要研究领域为量子理论、相对论研究。

约翰·阿奇博尔德·惠勒资料

外文名:John Archibald Wheeler

出生日期:1911年

去世日期:2008年4月13日

国籍:美国

出生地:美国的佛罗里达州

人物生平

1911年7月9日,约翰·阿奇博尔德·惠勒出生在美国佛州的杰克逊维尔一个图书馆员家庭里,他是家中的老大,下面有3个弟妹。

1915年,4岁时,惠勒就对宇宙产生了浓厚的兴趣,一天他问母亲,“宇宙的尽头在哪里?在宇宙上我们能走多远?”母亲的回答当然不能满足他的好奇心。于是惠勒向书本请教,英国著名生物学家兼科普作家约翰·阿瑟·汤姆生的《科学大纲》曾让他爱不释手。好奇心常常让他忘乎所以,有一次为了弄清1.1万伏高压电是什么感觉,他还特意用手去碰高压电线。早年就读于巴尔的摩学院(Baltimore City College )

1933年获,约翰斯·霍普金斯大学(Johns Hopkins University)博士学位,他来到丹麦哥本哈根,在丹麦哥本哈根大学著名物理学家丹麦尼·波尔指导下从事核物理研究,此后在普林斯顿大学和得克萨斯大学教书。曾参与美国“曼哈顿”计划。

1937年,惠勒提出了粒子相互作用的散射矩阵概念。

1939年,他与丹麦尼·波尔、前苏联的弗朗克尔一起提出重了原子核裂变的液滴模型理论。在50年代或更早的时期,那时的广义相对论大体上还是数学的一个分支,把它引进物理学主要就归功于惠勒。

1957年,他与米斯纳开始发展“几何动力学”,把万有引力、电磁场、质量、电荷都当作弯曲的空虚空间的性质来解说,企图把物理学完全几何化。

1965年,获得“爱因斯坦奖”。

1969年,惠勒在纽约的一次会议上使用“黑洞”一词,从此传播世界。

1968年12月2日,时任美国总统林登·约翰逊向惠勒颁发“原子能委员会恩利克·费米”奖。

1982年,获“玻尔国际金质奖章”等。

1983年,他提出了参与宇宙观点。

1993年,获Matteucci Medal。

1997年,惠勒因为在量子理论上的创新研究,获得了数学界的“诺贝尔奖”———沃尔夫奖。

2008年4月13日,因患肺炎医治无效,在位于其新泽西的家中逝世,享年97岁,这意味着哥本哈根时代的彻底终结。

为了解释宇宙中大质量超巨星坍缩时产生的现象,惠勒创造了“黑洞”这个相当简洁、贴切、概括性的词汇。此外,惠勒还在核裂变研究领域获得创造性成果,选定铀-235作为制造原子弹的原料,是第一位从事原子弹理论研究的美国人。他曾从事氢弹研制工作,在统一场研究中有相当成就。惠勒在量子理论和相对论研究上成就巨大,他还创造了诸如“虫洞”和“量子泡沫”等词汇,并且成为物理学中的重要术语。

惠勒除爱好游泳外,他还喜欢在树林中工作,就算闲暇时间他也在思考物理问题。九十多岁时,居住在新泽西的惠勒仍坚持每星期乘公共汽车到普林斯顿两次,喜欢与年轻人打成一片。他说,自己在与年轻人的交往中得到了新的信息。

学者生涯

原子弹 遗憾没能提早制成

尽管终其一生都在美国最顶级的大学里进行研究和教学活动,但约翰·惠勒的出身却很贫寒。21岁时,他获得了约翰·霍普金斯大学的博士学位。在仅仅约会3次之后,他就迎娶了自己的老友詹妮特·海格纳。可是婚后才一年,他就又撇家舍业坐船来到欧洲,进入哥本哈根大学成为“量子理论之父”玻尔(Niels Henrik David Bohr)的同事。“我们讨论了许多宗教人物,菩萨、耶稣、摩西,在和玻尔的对话中,我相信他们真的存在。”他曾回忆说。

1939年,受到欧洲局势影响,玻尔带着关于核裂变的消息来到美国。当时,惠勒已经成为一名年轻气盛的物理学教授。玻尔告诉他,纳粹科学家已经成功分离出了铀原子。在接下来的几周内,他与玻尔画出了核爆炸理论的草图。在事后的回忆中,惠勒曾说,当时玻尔曾想花很多时间与爱因斯坦争论量子理论,“不过他和我说话的时间还是比和爱因斯坦说话的时间多”。

这两位物理学家的关系更进了一步。在玻尔与惠勒合作开发的模式中,原子核包括了中子和质子,呈液滴状。当另一个蜕变核中的中子发射出来击中这个“液滴”,它就会开始剧烈振动,并逐渐拉升成花生状,最终一分为二。这就是他俩研究出的“液滴模型”,它为后来的原子弹制造打下了基础。

两年后,惠勒前往参与著名的“曼哈顿计划”———制造原子弹。他成了第一位研究原子弹的美国人,并决定以铀-235作为制造原子弹的材料。在他以及其他科学家的共同努力下,这种当时世界上最强大的武器的爆炸声宣告了第二次世界大战的结束。与玻尔后来陷入无尽的道义自责不同,惠勒并不因为这一强大武器给人类造成的灾难而感到遗憾。他遗憾的是,自己没能让原子弹更早一些问世,否则就可以尽早改变欧洲战场的情况———这样,他的兄弟乔或许就不会在1944年死于意大利战场了。

战后,惠勒继续协助政府进行一些研究。他放下自己手边的研究,开始帮助发展氢弹。他还建造了原子尘避难所。与同时期很多自由派的同事不同,他一直都对美国政府的政策,比如越战和导弹国防表示支持。

惠勒曾经因为在火车上丢失一份机密文件而遭到当时的美国总统艾森豪威尔的斥责,尽管如此他还是在1968年被约翰逊总统授予原子能委员会的费米奖。在上世纪60年代的时候,新一代的相对论研究者和宇宙学家已经在英国和苏联出现,但这个时候惠勒还是尽力促成了传统的爱因斯坦相对论成为一门课程。

黑洞 推翻物理法则

事实上,惠勒在一个问题上将爱因斯坦理论向前大大推进了。

1939年,后来成为“曼哈顿计划”负责人的罗伯特·奥本海默(Robert Oppenheimer)与一名学生称,爱因斯坦的方程式做出了一个天式的预言:一颗足够重量的死恒星将会崩裂,它制造出极密的堆积,以致光都无法穿越。这颗恒星会一直分裂下去,而宇宙空间则会像个黑斗篷一样将其包裹。在这个堆积中心,空间会无尽地弯曲,物质无穷密集,形成一种既密实又单一的矛盾景象,也就是我们现在说的物质为零的“黑洞中心”。

惠勒最先是反对这个结论的。1958年在比利时的一场会议中,他与奥本海默对峙。惠勒说,这个崩溃理论未能很好地解释类似恒星中物质的命运,他反驳说,物质怎么可能竟然发展到无物质呢。毕竟,物理法则怎么可能发展到违背自己以达到“无物理”的地步呢?

但是很快,当解释这颗崩裂行星的内部和外部的数学公式出现时,他与其他一些学者都被说服了。1969年在纽约的一次会议上,为了说服场下听众,他灵机一动,冒出了“黑洞”这个词,以描述这些恒星可怕而充满戏剧性的命运。“黑洞”一词从此流传开来。

在惠勒1999年的自传中,他写道:“黑洞教育我们空间可以像纸一样被揉捏成一个无穷小的点,小到时间会像火焰一样被熄灭,而我们之前所以为的‘神圣’不可变的物理法则也再不是那样了。”

1976年,惠勒从普林斯顿大学退休,来到了得克萨斯大学,同时,他开始思考曾经让爱因斯坦和玻尔都感到迷惑的一个问题:如何用量子结构的奇怪法则来观察现实。“量子革命”的基础是海森堡1927年提出的“不确定原理”,这个原理给认识自然物质加了很多限制,比如它认为即使在理论上,人们也是不可能同时知道亚原子粒子的速度和位置的。在这种条件下,如果不去观察的话,亚原子粒子及其运动就会处于一片惠勒称之为“巨大的烟雾”的粒子云状态中,模糊不清。这个想法曾让爱因斯坦很沮丧,他甚至有一次问惠勒,如果人们都不去看月亮的话,那月亮还会不会在天上?

不过,惠勒却在思考,量子不确定原则是否能运用于整个宇宙和历史,这点是否是认识所有存在物质的关键。“我们不再满足于仅仅观察粒子,或引力场,或几何,甚至时空,”他在1981年的一篇文章中写道,“今天我们对物理的要求是,要了解存在本身。”

教育 年轻人与他互相指引

与惠勒科学上的成就齐名的是他在科学教育上的成就。惠勒先后任普林斯顿和得克萨斯大学奥斯丁分校的教授。他给物理理论教育铺设了道路,给学生提出一个又一个启迪智慧的问题。

惠勒的学生、麻省理工学院的宇宙学家马克思·特格马特说:“对我来说,他是一个巨人,是仍在世的物理超级英雄。”在惠勒的领导下,普林斯顿大学已经成为美国相对论研究界的领军机构。

艾维特(Hugh Everett)也是惠勒的学生。他在惠勒指导下做的博士论文提出,与宇宙平行的量子结构正在无止境地分裂着。惠勒称这个想法为“多世界”,而这个理论也成为了无数宇宙学家和科幻小说作者的最爱。

即使在获得巨大声名之后,他也甘愿去教大学一年级。原因很简单,他认为年轻人的想法是最重要的。年轻人也更接受他创造出的看似违背传统的一些新词:黑洞、虫洞(worm hole)、量子泡沫、多宇宙……惠勒一再表示和年轻人合作的重要性,他的几乎所有著作都是与学生合著的。1973年的《万有引力》厚达1000多页,书中却充满了智慧和可读的语言,甚至还布满边栏和个人的物理素描,因为太畅销,这本书再版了好几次。

在自传中,他特别提到了这样一件事情:“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)。”后来几个学生证明这个结论是错误的,他才恍然大悟。

学术领域

作为一位出色的教育家,惠勒对于教育有特殊的理解。“大学里为什么要有学生?”惠勒说,“那是因为老师有不懂的东西,需要学生来帮助解答。” 1970年代初期,惠勒的学生贝肯斯坦(Bekenstein)提出,黑洞的视界面积正比于黑洞的熵,这个思想与当时的霍金等人“黑洞无毛”的观点相悖,几乎所有的黑洞物理学家都站在霍金一边,只有惠勒支持贝肯斯坦,他说:“这个想法足够疯狂了,所以它很有可能是对的。”而贝肯斯坦的确对了。早逝的费曼曾经说:“有人说惠勒晚年陷入了疯狂,其实惠勒一直都疯狂。”

作为20世纪最重要的物理学成就,量子论和相对论在其基本理念上存在着严重的冲突,至今没有统一起来。作为哥本哈根学派的一员,惠勒对量子力学有深刻的理解,也作出了重要的贡献。但对于相对论,尤其是广义相对论,则知之不多。

1950年代,惠勒在普林斯顿开了一门讨论班课程,广义相对论。惠勒又有惊人之语曰:要想了解一个新的领域,就去开一门这个领域的课程。后来又说:要想了解一个新的领域,就写一本关于那个领域的书。这就是他与他的学生基普·索恩合写的大部头著作《引力》。

惠勒具有超人的物理学直觉,能够从简单的类比,来获得深邃的洞察。“类比引发洞察”,这是他的方法论夫子自道。其深邃在于,这些类比经他一说,似乎极为平常。

惠勒最有代表性的思想是1979年在纪念爱因斯坦100周年诞辰学术研讨会上提出的延迟选择实验,据此,他给出了一个颠覆我们通常时间次序的结论:“我们此时此刻作出的决定,对于我们有足够理由说,它对已经发生了的事件产生了不可逃避的影响。”此时的决定,影响了,甚至决定了光子的过去。最绝的是,这个思想实验不但具有可操作性,而且可以在宇宙尺度上操作。藉此,惠勒反复强调:“没有一个基本量子现象是一个现象,直到它是一个被记录(观察)的现象”;“并没有一个过去预先存在着,除非它被现在所记录”。于是,惠勒把哥本哈根学派的整体论从空间拓展到了时间。

惠勒反对说有一个外在于我们的客观实在存在“在哪儿”。作为物理学家,惠勒喜欢使用图示、模型和故事来说明他的观点。他经常利用这个R来代表实在(Reality),他指出:“实在是由一些观察的铁柱及其间的理论和想象构成的。”然而,他又指出,先定义术语,再繁衍理论,这是不可能的;先有实在,再有观察者的观察,也是不可能的。因为理论、概念、定律和测量方法是不可分离、同时呈现的(《宇宙逍遥》第14页)。因而,即使被观察的铁柱本身,也是与理论相关的。这样一来,我们所看到的实在图景,几乎完全是我们的建构。

他强调观察的意义,我们观察到什么,(部分地)取决于我们用什么方式提问。由此类比,我们所见到的世界,也是由于观察而成为存在的。进一步,惠勒提出了参与的宇宙(participatory universe)这个概念,指出宇宙是一个自激回路,现在的观察,参与乃至创造了宇宙之诞生。于是有“万物源于比特”(有生于微)的理念。纯粹的客观的观察是不可能的,观察者必然成为参与者。而我们现在是看到的宇宙,或者实在,正是来自于古往今来的无数观察-参与行为。

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。

物理贡献

相对论和量子论,20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。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(mutality),都不可能是不朽的,而宇宙本身也有生有灭。

• 物质和定律的物理学

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。惠勒力图把更多的物质转化成定律,前述“没有物质的物质”和“没有电荷的电荷”都是这种思想的表现。当然,这也可以用奥卡姆剃刀来解释。

• 推出时间、量子和连续性

既然物质和电荷都可以从物理学自身的结构中给出,惠勒大胆地猜想,现在从物理学之外给入的时间将来也可以从物理学中推导出来,由绝对的量变成近似的量,由基本的量变成导出的量。正如光速曾经是外来的、绝对的量,后来则成为导出的,近似的。事实上,惠勒希望把所有外来的量,乃至把物理学本身建立在观察之上,希望从最质朴的观察出发,给出量子的定义,时间的定义,并解决数学连续性和物理的分立之间的矛盾问题。这就是所谓物理学的质朴性。

• 从物理学走到了哲学

2000年是量子理论问世一百周年,惠勒写了一篇文章《量子何为?——量子物理的荣耀与耻辱》表示纪念。他说:

这就是普朗克之后一百年的量子物理,全部化学、生物学、计算机技术、天文学和宇宙学的理论基础。然而,如此值得自豪的基础,却仍不能知道其自身基础。我们可以相信,我确实相信,对于“量子何为”这个问题的回答也将被证明是对“存在何为”这个问题的回答。

2001年年初,惠勒在给笔者的电子邮件中指出:“未来的物理学应该来自于我们对量子理论的更深入理解,而不是来自对量子理论的评判。”

在对这些基本问题的思考中,惠勒从物理学走到了哲学。

人物著作

中文文献

能够集中表现惠勒思想的中文文献在2000年前只有两种。

一是《物理学和质朴性:惠勒演讲集》(安徽科学技术出版社,1982年),这是惠勒在 1981年访问中国时,在北京、合肥和上海发表的学术演讲。此书直接用中文出版,没有其他语种的版本。中国学者了解惠勒,大多始于此书。

一是《科学和艺术中的结构》(童世骏、陈克艰译,华东师范大学出版社,1989年),这也是一部演讲集。1979年在德国的克龙贝格城,二十几位世界科学、哲学和艺术领域的一流人士聚在一起,就“科学与艺术中的结构”进行了专题讨论。会议共有四个专题发言,前三个发言者分别是心理学家、生物学家和小说家,惠勒是第四个。与会者皆一时俊杰,包括国内熟悉的科学哲学家卡尔·波普尔,艺术史家贡布里希,以及三位诺贝尔奖得主。这两种文献综合起来,大体上已经包含了惠勒就实在问题和科学走向问题的基本思想。

物理专业著作

惠勒出版的物理专业著作也有很多,中文只有一种繁体字版的《引力》在中国台湾 出版。

2000年,惠勒传记Geons, Black Holesand Quantum Foam(真子、黑洞和量子泡沫)中译本由中国台湾 商周出版社出版,题为《约翰·惠勒自传——物理历史与未来的见证者》(蔡承志译),2004年,此译本之简体字本由汕头大学出版社出版。这部传记为惠勒与其高足福特合著。

《宇宙逍遥》

而最能集中体现惠勒作为哲人科学家思想的则是其文集《宇宙逍遥》。这个译名是戈革先生的建议。该书包括六个部分,共24篇文章。其中第一部分“科学的微笑”和第六部分“超越黑洞”讨论的都是物理学基础问题以及实在本性问题,这是其思想最为尖锐和艰深的部分。

第二个部分“热忱与士气”篇幅较短,其中谈到了教育问题,谈到了对大学精神的理解(《普林斯顿的合作精神》),值得国内大学管理者“深长思之”。第三个部分“玻尔和爱因斯坦”中的六篇文章都与这两位大师有关。涉及了物理学史上的若干重大问题,阐释了重要的物理学思想,也谈到了科学家的社会责任、科学的社会意义等问题。第四部分“追忆伟人”与前一个部分类似,只是对象变成了居里夫人、外尔、克拉默斯和汤川秀树等人。第五部分“半生此生”讨论的则是科学社会学问题。

社会风险问题的著作

尤为让我惊奇的是,惠勒当年还曾经领导过科学的社会风险问题的研究。当然,相对于今日的科学社会学和科学知识社会学来说,惠勒的观点更多地反映了一位科学家对于科学和社会问题的缺省理解。在这几个部分之中,还散落着惠勒献给哥白尼、爱因斯坦等人的赞美诗,使我们看到一位物理学家多方面的才华。

终极理论之梦

惠勒的思想新奇瑰丽。就如惠勒在中文版序言中所说,人要能够跨越自己专业的狭隘视野。在该书第一篇文章中,惠勒就强调致统一概念,强调不同领域之间的融合。这是物理学家长久以来的大统一梦想(温伯格称之为“终极理论之梦”)的另一种表现。而惠勒的思想已经超越了物理学,成为人类文化的共同财富。

《我们的宇宙:已知与未知》

惠勒说,茫茫宇宙中发生的奇迹,胜过人们在“最狂野的梦里所能想象出来的最灿烂的焰火”(《我们的宇宙:已知与未知》),对我来说,惠勒这位理论物理学家张扬无羁的思想狂欢,充满激情的理性和充满理性的激情,也如狂野之梦中的焰火!

惠勒书籍

《Wheeler, John Archibald》 (1962)

《Misner, Charles W.; Kip S. Thorne, John Archibald Wheeler》(1973)

《Some Men and Moments in the History of Nuclear Physics: The Interplay of Colleagues and Motivations》(1979)

《A Journey Into Gravity and Spacetime》 (1990)

《Spacetime Physics: Introduction to Special Relativity》 (1992)

《At Home in the Universe》 (1994).

《Geons, Black Holes, and Quantum Foam: A Life in Physics》 (1998)

《Exploring Black Holes: Introduction to General Relativity》 (2000)

社会任职

惠勒生前是美国自然科学院院士和文理科学院院士,曾任美国物理学会主席。

人物评价

在惠勒2001年的90岁大寿上,戴森博士(Dr. Dyson)称赞惠勒说,他是解码核裂变的“工艺大师”,也是一名诗人。“诗性的惠勒是名预言家,就像摩西站在山顶上往下望,知道他的人民将有一点和他一样。”

惠勒则如此自我评价:“如果在物理上我有一点觉得更有义务,那就是如何把各个事物联系起来。我希望自己有一定的辨别能力。我愿意去任何地方,与任何人交谈,问任何能够促进进步的问题。”“我承认,我是一名乐观主义者,尤其乐于相信某一天所有的真相都会解开。那么多的年轻人都被迫去钻研一个领域,而无法承担解开真理的这个任务,只有我这样的老学究才可以,真的出洋相也能承受。如果我不做,那谁来做?”

惠勒是美国著名的物理学家、物理学思想家和物理学教育家。与其同时代的物理学家相比,他的名气远远不如他的博士后合作导师玻尔,他的同事爱因斯坦,也远远不如他的学生物理顽童费曼。在霍金流行全球之后,很多人都知道了“黑洞”这种奇怪的天体,但是很少有人知道,“黑洞”这个名字出自惠勒之手。

惠勒虽然没有得到中国人看重的诺贝尔奖,但是他无疑是美国最重要的物理学家之一。作为物理学家,惠勒最重要的工作是与玻尔合作,在1942年共同揭示了核裂变机制,并参加了研制原子弹的曼哈顿工程。他还是美国第一个氢弹装置的主要设计者之一。作为物理学教育家,惠勒培养出了几代美国物理学家,他指导过的博士达50位之多——当下美国宇宙学或者天体理论物理的一线人物有相当一部分是惠勒的学生。

惠勒学生

Richard Feynman

Demetrios Christodoulou

Jacob Bekenstein

Robert Geroch

Bei-Lok Hu

John R. Klauder

Charles Misner

Milton Plesset

Kip Thorne

Arthur Wightman

Hugh Everett

Bill Unruh

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