惠勒：提出黑洞概念的物理學大師

知識 07-13

惠勒：提出黑洞概念的物理學大師

約翰·阿奇博爾德·惠勒。來源：boston.com

撰文田筱超然

責編葉水送

說起約翰·阿奇博爾德·惠勒（John Archibald Wheeler）這個名字，可能大部分人都會覺得非常陌生。

但如果你在大學裡上過物理課程，你一定認識理查德·費曼，這個有名的天才，不僅在物理學的多個領域做出了驚人的貢獻，他物理學頑童的身份和眾多軼事，更是讓他被物理圈子之外的大眾所熟知。

即使你沒學過大學物理，你也可能看過電影《星際穿越》，並且對裡面那個震撼人心的黑洞印象深刻，那麼你應該會對這個黑洞形象的創作者、導演諾蘭以及影片的科學顧問加州理工學院的基普·索恩（Kip Throne）存有敬意。因為在基普·索恩的指導下，30多個人、數千台計算機花費一年多的時間在銀幕上展示了有史以來最為真實的黑洞形象。

甚至你連《星際穿越》也沒有看過，不知道基普·索恩這個人，但你一定聽說過「黑洞」（black hole）這個名詞，這個宇宙中最為神秘的天體之一，是科幻影片、科普紀錄片里的明星，它與時間旅行、宇宙起源等問題有著千絲萬縷的聯繫，長期以來一直牽動著大眾的神經。

而上面提到的兩個人物，理查德·費曼和基普·索恩，他們都是惠勒的學生。黑洞一詞也正是惠勒率先提出並發揚光大。

1911年7月9日，惠勒生於美國佛羅里達州的一個圖書管理員家庭。他的父親在自己的業務上頗為成功，這得益於他的人生信條：「凡事都可以做得比原來更好」「問題存在的意義就是為了被解決掉」，這樣的人生態度影響了幼年時期的惠勒，使他深深著迷於理解世界是如何運轉的——為這樣一個終極問題尋求答案，最終成為了惠勒畢生的追求。

1934年，當惠勒從約翰·霍普金斯大學畢業，他得到了去哥本哈根跟隨著名物理學家玻爾工作一年的機會。和玻爾這位科學巨人一起工作的經歷對惠勒產生了深刻的影響，關於這一點惠勒在他的自傳中這樣說到：「布瑞特（惠勒之前的導師）教會了我新的數學推導和計算技巧，而玻爾教給我一種新的看待這個世界的方式，一種新的提出問題的方式。毫無疑問，我做物理研究的風格是受到他們兩位的影響。」

當惠勒最終在北卡羅萊納大學安頓下來，開始考慮自己獨立研究課題時，他把自己的研究方向選定在原子核物理這個方向上。在這個領域，他引入了散射矩陣和共振群結構的概念，它們後來都成為人們解決散射問題的重要理論工具，更重要的是，基於他與玻爾合作建立的原子核的液滴模型，他們提出了原子核的裂變機制——這是後來人們得以製造核武器的重要理論基礎之一。

1938年的夏天，惠勒和家人一起搬到了普林斯頓大學，開始了他在普林斯頓的教學科研生涯。他在普林斯頓最早的幾個學生之一，就是後來大名鼎鼎的理查德·費曼。這成為兩人長達半個多世紀的友誼的開始，在惠勒的指導下，費曼完成的第一個工作成為了量子電動力學理論的奠基石之一。

然而，戰爭爆發了。

第二次世界大戰改變了很多人的生命軌跡，這其中包括了惠勒、玻爾、費曼等人，他們都參與了「曼哈頓計劃」。惠勒親自參與到核裂變的實現和應用的巨大工程項目之中，他的內心想必是百感交集的。不僅是原子彈，在後續對氫彈的研製工作中，惠勒同樣是主要的設計者之一。

起初惠勒對此很不理解，但是他最終承認這一結論是對的，並由此轉向對廣義相對論的進一步研究。1967年，他在一次學術會議上提出「黑洞」這一名詞，用來取代以前「引力完全塌縮的星球」這一冗長的稱呼。黑洞一詞立刻因其簡潔明了地描述了這類天體的性質，而被大家廣泛接受。直到今天，黑洞這個概念甚至成為了普通大眾津津樂道的話題，這一切至少從傳播角度來說，就得感謝惠勒，更不用說，他還是相對論天體物理學的開拓者之一，為這個領域培養了許多人才。

除了上述兩個領域，惠勒晚年的注意力開始轉向物理學的基本問題，他提出了延遲選擇實驗、量子泡沫等概念，對物理學的本質問題進行了詳細的討論。雖然目前這些問題還沒有得到完全透徹的理解，但惠勒的嘗試功不可沒。

作為「哥本哈根學派」的重要繼承者，惠勒本人沒有很高的知名度，但他所提出的概念早已深入人心，隨著後人研究的深入，他所探求的事物本質也變得日漸清晰。

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