古詩詞大全網 - 成語故事 - 約翰·阿奇博爾德·惠勒的學者生涯

約翰·阿奇博爾德·惠勒的學者生涯

從小迷物理 曾手碰高壓線 

1911年7月9日,惠勒出生在美國佛州的傑克遜維爾,他是家中的老大,下面有3個弟妹。4歲時,惠勒就對宇宙產生了濃厚的興趣,壹天他問母親,“宇宙的盡頭在哪裏?在宇宙上我們能走多遠?”母親的回答當然不能滿足他的好奇心。於是惠勒向書本請教,英國著名生物學家兼科普作家約翰·阿瑟·湯姆生的《科學大綱》曾讓他愛不釋手。好奇心常常讓他忘乎所以,有壹次為了弄清1.1萬伏高壓電是什麽感覺,他還特意用手去碰高壓電線。

跟隨父母幾次搬家後,惠勒入讀約翰斯·霍普金斯大學,並獲博士學位。1933年,他來到丹麥哥本哈根,在玻爾的指導下從事核物理研究。

原子彈 遺憾沒能提早制成 

盡管終其壹生都在美國最頂級的大學裏進行研究和教學活動,但約翰·惠勒的出身卻很貧寒。1911年他出生在壹個圖書館員家庭裏。21歲時,他獲得了約翰·霍普金斯大學的博士學位。在僅僅約會3次之後,他就迎娶了自己的老友詹妮特·海格納。可是婚後才壹年,他就又撇家舍業坐船來到歐洲,進入哥本哈根大學成為“量子理論之父”玻爾(Niels Henrik David Bohr)的同事。“我們討論了許多宗教人物,菩薩、耶穌、摩西,在和玻爾的對話中,我相信他們真的存在。”他曾回憶說。

1939年,受到歐洲局勢影響,玻爾帶著關於核裂變的消息來到美國。當時,惠勒已經成為壹名年輕氣盛的物理學教授。玻爾告訴他,納粹科學家已經成功分離出了鈾原子。在接下來的幾周內,他與玻爾畫出了核爆炸理論的草圖。在事後的回憶中,惠勒曾說,當時玻爾曾想花很多時間與愛因斯坦爭論量子理論,“不過他和我說話的時間還是比和愛因斯坦說話的時間多”。

這兩位物理學家的關系更進了壹步。在玻爾與惠勒合作開發的模式中,原子核包括了中子和質子,呈液滴狀。當另壹個蛻變核中的中子發射出來擊中這個“液滴”,它就會開始劇烈振動,並逐漸拉升成花生狀,最終壹分為二。這就是他倆研究出的“液滴模型”,它為後來的原子彈制造打下了基礎。

兩年後,惠勒前往參與著名的“曼哈頓計劃”———制造原子彈。他成了第壹位研究原子彈的美國人,並決定以鈾-235作為制造原子彈的材料。在他以及其他科學家的***同努力下,這種當時世界上最強大的武器的爆炸聲宣告了第二次世界大戰的結束。與玻爾後來陷入無盡的道義自責不同,惠勒並不因為這壹強大武器給人類造成的災難而感到遺憾。他遺憾的是,自己沒能讓原子彈更早壹些問世,否則就可以盡早改變歐洲戰場的情況———這樣,他的兄弟喬或許就不會在1944年死於意大利戰場了。

戰後,惠勒繼續協助政府進行壹些研究。他放下自己手邊的研究,開始幫助發展氫彈。他還建造了原子塵避難所。與同時期很多自由派的同事不同,他壹直都對美國政府的政策,比如越戰和導彈國防表示支持。

惠勒曾經因為在火車上丟失壹份機密文件而遭到當時的美國總統艾森豪威爾的斥責,盡管如此他還是在1968年被約翰遜總統授予原子能委員會的費米獎。在上世紀60年代的時候,新壹代的相對論研究者和宇宙學家已經在英國和蘇聯出現,但這個時候惠勒還是盡力促成了傳統的愛因斯坦相對論成為壹門課程。

黑洞 推翻物理法則 

事實上,惠勒在壹個問題上將愛因斯坦理論向前大大推進了。早在1939年,後來成為“曼哈頓計劃”負責人的羅伯特·奧本海默(Robert Oppenheimer)與壹名學生稱,愛因斯坦的方程式做出了壹個天啟式的預言:壹顆足夠重量的死恒星將會崩裂,它制造出極密的堆積,以致光都無法穿越。這顆恒星會壹直分裂下去,而宇宙空間則會像個黑鬥篷壹樣將其包裹。在這個堆積中心,空間會無盡地彎曲,物質無窮密集,形成壹種既密實又單壹的矛盾景象,也就是我們現在說的物質為零的“黑洞中心”。

惠勒最先是反對這個結論的。1958年在比利時的壹場會議中,他與奧本海默對峙。惠勒說,這個崩潰理論未能很好地解釋類似恒星中物質的命運,他反駁說,物質怎麽可能竟然發展到無物質呢。畢竟,物理法則怎麽可能發展到違背自己以達到“無物理”的地步呢?

但是很快,當解釋這顆崩裂行星的內部和外部的數學公式出現時,他與其他壹些學者都被說服了。1969年在紐約的壹次會議上,為了說服場下聽眾,他靈機壹動,冒出了“黑洞”這個詞,以描述這些恒星可怕而充滿戲劇性的命運。“黑洞”壹詞從此流傳開來。

在惠勒1999年的自傳中,他寫道:“黑洞教育我們空間可以像紙壹樣被揉捏成壹個無窮小的點,小到時間會像火焰壹樣被熄滅,而我們之前所以為的‘神聖’不可變的物理法則也再不是那樣了。”

1976年,惠勒從普林斯頓大學退休,來到了得克薩斯大學,同時,他開始思考曾經讓愛因斯坦和玻爾都感到迷惑的壹個問題:如何用量子結構的奇怪法則來觀察現實。“量子革命”的基礎是海森堡1927年提出的“不確定原理”,這個原理給認識自然物質加了很多限制,比如它認為即使在理論上,人們也是不可能同時知道亞原子粒子的速度和位置的。在這種條件下,如果不去觀察的話,亞原子粒子及其運動就會處於壹片惠勒稱之為“巨大的煙霧龍”的粒子雲狀態中,模糊不清。這個想法曾讓愛因斯坦很沮喪,他甚至有壹次問惠勒,如果人們都不去看月亮的話,那月亮還會不會在天上?

不過,惠勒卻在思考,量子不確定原則是否能運用於整個宇宙和歷史,這點是否是認識所有存在物質的關鍵。“我們不再滿足於僅僅觀察粒子,或引力場,或幾何,甚至時空,”他在1981年的壹篇文章中寫道,“今天我們對物理的要求是,要了解存在本身。”1997年,惠勒因為在量子理論上的創新研究,獲得了數學界的“諾貝爾獎”———沃爾夫獎。

在惠勒2001年的90歲大壽上,戴森博士(Dr. Dyson)稱贊惠勒說,他是解碼核裂變的“工藝大師”,也是壹名詩人。“詩性的惠勒是名預言家,就像摩西站在山頂上往下望,知道他的人民將有壹點和他壹樣。”

惠勒則如此自我評價:“如果在物理上我有壹點覺得更有義務,那就是如何把各個事物聯系起來。我希望自己有壹定的辨別能力。我願意去任何地方,與任何人交談,問任何能夠促進進步的問題。”“我承認,我是壹名樂觀主義者,尤其樂於相信某壹天所有的真相都會解開。那麽多的年輕人都被迫去鉆研壹個領域,而無法承擔解開真理的這個任務,只有我這樣的老學究才可以,真的出洋相也能承受。如果我不做,那誰來做?”

教育 年輕人與他互相指引 

與惠勒科學上的成就齊名的是他在科學教育上的成就。惠勒先後任普林斯頓和得克薩斯大學奧斯丁分校的教授。他給物理理論教育鋪設了道路,給學生提出壹個又壹個啟迪智慧的問題。

惠勒的學生、麻省理工學院的宇宙學家馬克思·特格馬特說:“對我來說,他是壹個巨人,是仍在世的物理超級英雄。”在惠勒的領導下,普林斯頓大學已經成為美國相對論研究界的領軍機構。

艾維特(Hugh Everett)也是惠勒的學生。他在惠勒指導下做的博士論文提出,與宇宙平行的量子結構正在無止境地分裂著。惠勒稱這個想法為“多世界”,而這個理論也成為了無數宇宙學家和科幻小說作者的最愛。

即使在獲得巨大聲名之後,他也甘願去教大學壹年級。原因很簡單,他認為年輕人的想法是最重要的。年輕人也更接受他創造出的看似違背傳統的壹些新詞:黑洞、蟲洞(worm hole)、量子泡沫、多宇宙……惠勒壹再表示和年輕人合作的重要性,他的幾乎所有著作都是與學生合著的。1973年的《萬有引力》厚達1000多頁,書中卻充滿了智慧和可讀的語言,甚至還布滿邊欄和個人的物理素描,因為太暢銷,這本書再版了好幾次。

在自傳中,他特別提到了這樣壹件事情:“我曾經有壹個錯誤的結論,認為無論塌縮中的星體表面引力有多強,與地面垂直並向上直射的光線依然可以逃脫並攜帶出能量(與質量)。”後來幾個學生證明這個結論是錯誤的,他才恍然大悟。