通向哲学的物理_田松

介绍惠勒的几项哲学性物理思考

作者田松（1965—∵），哲学博士，理学（科学史）博士，现为北京师范大学哲学与社会学学院副教授，研究方向为科学哲学、科学传播、科学人类学和科学思想史。

约翰·惠勒（John∵Archibald∵Wheeler，1911－）是美国着名的理论物理学家，对于基础物理做了重要的贡献。惠勒一生关注物理学的基础问题，并试图从物理学的角度理解实在的本性，他说：

我无法阻止自己去琢磨存在（existence）之谜。从我们称之为科学实质的计算和实验，到这个最宏大的哲学问题，其间连接着一个不间断的链条。在这个链条上不会存在这样一个特殊的点，一个真正有好奇心的物理学家会说：“我就到这儿了，不再往前走了。”

惠勒继承了量子力学哥本哈根学派的思想，并有突破性的发展。他的思考涉及到观察者与实在、实在的结构、时间的起始与终结、观测的本性、因果性、科学的本体等基本的哲学问题。结论大胆，富有冲击力。

惠勒最有哲学影响的物理学命题是1976年提出的延迟选择实验及此后提出的参与的宇宙，由于篇幅所限，暂不做介绍。本文将重点介绍惠勒提出的另外几个触及到实在本性、具有哲学意味的物理概念。

惠勒有关科学哲学问题的重要文章大多收录在1994年出版的文集At∵Home∵in∵the∵Universe（《宇宙逍遥》）之中，1998年在Kenneth∵Ford的帮助下出版了自传Geons，Black∵Holes，and∵Quantum∵Foam（《真子、黑洞和量子泡沫》），书名所涉及的三个概念均为其一生之得意命名，也是本文所介绍的对象。

1、奇点·黑洞

在很长一段时间里，量子力学和相对论被认为是20世纪两个最伟大的物理学理论，但是这两个理论并不协调。相对论继承了经典物理的核心思想，除了绝对时空被取消之外，经典实在的其余内容大多得到了保留。量子理论则更富有革命性。决定论、还原论、因果论都遭到了挑战，主客体两分也遭到了怀疑。

当然，不管是量子论还是相对论，都有各自的观测证据给予支持，所以只有一种可能，即两者都是对的。应该存在一种新的物理学，能够包含两者，使两者成为它的近似。相对论和量子力学的结合点，是寻找新物理学的一个重要途径。惠勒是同时在这两个领域都有深入研究的不多的物理学家之一。吸引惠勒接触广义相对论的是该理论所允许的奇点。

1952年1月，惠勒研究了奥本海默及其合作者1939年的两篇论文。那两篇论文的核心是，根据相对论，存在一种由大质量物体坍缩而成的具有无穷大质量密度的几何点——“奇点（singularity）”。1967年，惠勒将其命名为黑洞，并迅速为物理学界所接受。在此之前的两个名字（坍缩星和冻星）很快便不再有人使用了。

对于一个电子或者质子、中子，物理学家都把它看成是点粒子，认为它们处在一个数学点上。但是，一个数学点在物理学上是不可能实现的。因为在距离数学点电荷无限小的地方，会有无穷大的电场强度，也会有无穷大的引力。惠勒把奇点称为物理学身体中恼人的刺，“亚里斯多德说大自然厌恶真空，我相信大自然厌恶奇点。”惠勒相信，如果对奇点内部的情况有更多的了解，奇点就有可能消除。

这是一个明显的例子，表明一个奇点并不是真正的奇点。在质子附近，你越接近这个粒子，其电磁场就会变得越强。如果质子是一个真的点，当你接触到这个质子的时候，其电磁场将变得无穷大。但是事实并非如此，质子有一个有限的尺度。它有结构。

当然，在质子之外的任何地方，其电磁场的强度同质子真是一个点的时候是一样的。但是当你进入质子内部，就发现其电磁场只是变得很大而已，并不是无穷大。质子的尺度和结构为场的强度加了一个限制。

当整个恒星的质量都坍缩到非常小的尺度时，我想，这样的事情还会发生的，尽管这个尺度只是针尖大小，甚至更小，如果把量子力学引入到这个过程中，我推断，将会改变广义相对论的预言，防止全面的坍缩。或许，坍缩的恒星会找到一种办法，使其质量和能量辐射出去，直到变成非常微小而无法坍缩的灰烬。

奇点处于物理世界和数学表述之间的交界点上，属于符号实在，在感知实在中并没有对应的元素。按照惠勒的观点，处于理论的极限。惠勒相信，把一种理论推倒极限处，就能看到这种理论的裂痕，也能看到这种理论所对应的实在的裂痕。

通过把理论推向极端，我们也会发现，其结构的裂痕可能隐藏在哪里。在20世纪早期，例如，当在大尺度世界中完美无瑕的牛顿运动理论应用到单个原子内部这样的小尺度世界时，它失败了。终有一天，在广义相对论不适用的地方也会找到该理论的界限。这个界限只有在我们把这个理论尽我们所能推到所有的极端时才会显现出来。在我们这样做的时候，在我们找到这个理论在哪里变得不正确的时候之前，我们很可能还会在这个理论仍然正确的地方，发现某些新的奇异景象。

这种理论结构的裂痕正对应（符号）实在结构的裂痕。惠勒通过把理论推向极端而去寻找实在的裂痕。而只有在实在的裂痕处，才能更真切地看到实在本身隐秘的性质。“你要找到证据表明组成晶体的物质实际上是不连续的，最好的办法莫过于让晶体裂开。你要看出一块布并非连续的质料而是由线编织成的，最好的办法莫过于去观察布的边缘。同样，你若希望揭示空间和时间的内部结构，其极端条件就是大爆炸和大坍缩。总之，我们不认为宇宙是永恒地持续着的，它在某个时刻开始，而在另一个时候将归于消失。”

在惠勒看来，把理论推到极端是物理学家的责任。“我们物理学家应该想的是，这些极端的行为可能在哪里出现，并去找到它。”

2、真子

真子（geon）是惠勒把物理学推倒极端的一个重要思想成果。这是惠勒自己造的词，其中g代表gravity（引力），e代表electromagnetics（电磁），-on是表示粒子的词根。根据其发音，姑译为“真子”。惠勒对真子的提出有过如下描述：

牛顿的第三定律在我关于广义相对论的第一本书中扮演了一个角色。爱因斯坦理论的三个重大证据之一是光线被太阳偏折。当我在1953年春天开设相对论课程时，我开始想，如果光被引力作用，引力也一定被光所作用。也就是说，光不仅仅响应引力；而且也产生引力。这本身并不是一个新的想法。爱因斯坦已经阐明，所有的能量，而不仅仅是封闭在质量中的能量，都是引力源。既然光是能量，它就应该是引力源。我所作的不过是把这个思想推到一个极端。

那么，需要多少光，我自问，才能产生这样大的引力，使其自身都被束缚住呢？经过太阳的星光发生了小的偏转。不难计算，如果太阳被代之以具有足够质量的某种东西（但大小一样），光线将会弯曲，就像卫星环绕地球一样，围绕那个东西转圈。那么，我推断，我是否可能换掉那种超密质量的物体，把光囚禁起来，让光的密度达到其自身能够产生同样引力场强度的程度呢？那样，光将会不停地转圈，被其自身产生的引力囚禁在轨道上。没有必要存在一个中心的吸引物体。

这个假想的实体，一个完全由电磁场构成的引力体，我称之为真子。现在还没有发现真子在自然中存在的证据，随后我将说明真子是不稳定的——如果它们曾经形成，也马上被自己摧毁了。然而，我还是忍不住去想，自然应该有种办法，使所有开放给它的可能性都获得实现。或许，真子在宇宙的早期曾经短暂地存在过；或许它们在今天的宇宙也能瞬生瞬灭；或许（如我和我的几个学生最近设想的），它们为黑洞的创生提供了一个舞台。

真子这个概念是令人震惊的，它使人感到思想本身给理论物理学家带来的刺激和兴奋。

1954年，惠勒对经典真子进行了讨论。所谓“经典的”，就是量子效应可以忽略的。经过计算，一个最小的纯经典真子具有炸面圈的拓扑结构，其尺度相当于一个太阳，质量是一亿个太阳的量级。而大真子，原则上可以大到宇宙的尺度，一个宇宙可能就是一个真子。

真子在感知实在中更加没有任何对应，完全是理论按照自身的逻辑向极端方向推进的结果。然而，按照惠勒的观点，如果广义相对论是一个正确的理论，真子就应该在感知实在中获得对应的元素。惠勒认为，真子之“大”不应该是我们思考它，讨论它的障碍。

即使最小的经典真子，其巨大也不是停止思考这种事情的理由。从一方面，我感到，把广义相对论这个漂亮的理论沿着它的可能推向无论怎样的小巷、无论怎样的灌木丛，都是一种责任——更何况兴奋了。从另一方面，我相信，一旦量子效应被考虑进来，就可能有足够小的真子。我怎么可能不被这样一个像单个的基本粒子一样的微型真子的前景所诱惑呢？

真子的质量，实际上就是围绕着炸面圈轨道的电磁能量的所等价的质量。惠勒指出：

它是“没有质量（物质）的质量（mass∵without∵mass）”，因为它不依赖于任何物质粒子。