延迟选择
1979年,惠勒在马里兰大学做了一场演讲,提出了一个大胆的新思想实验(thought experiment),这一实验后来成为他关于时间的思想最引人注目的应用:延迟选择(the delayed choice)实验。
惠勒意识到,在光子穿过屏幕之后,有可能设置通常的双缝实验(double slit experiment),使观察者可以决定他想看到的是条纹还是光斑——也就是说,他可以创造一点实在性——在光子已经通过双缝屏幕之后。在尽可能最后的时刻,他可以选择移除照相底板,露出两个小望远镜:一个指向左边的狭缝,另一个指向右边的。望远镜可以分辨出光子穿过了哪条狭缝。但如果观察者将底板留在原地,干涉图案就会形成。观察者的延迟选择决定了光子到底走了一条还是两条路径,而这是在光子可能已经走了一条或另一条路之后。
对惠勒来说,这不仅仅关乎好奇心,而是关乎宇宙存在的线索。这是他所需要的U型的机制,一种时间规则的弯曲(bending of the rules of time),它可能使宇宙——诞生于138亿年前一次大爆炸中的那个宇宙——由我们在当下创生。
惠勒说,要明白这一点,只需把延迟选择实验的尺度扩展。想象一下光从10亿光年之外的类星体向地球传播。一个巨大的星系位于类星体和地球之间,它的引力场像透镜一样改变了光的路径。光在星系周围弯曲,以相等的概率从左右绕行,出于思想实验的目的,设想每次只有一个光子到达地球。我们再次面临着类似的选择:我们可以在光到达点的中央放置一张照相底板,在那里干涉图案会逐渐出现,或者我们可以将望远镜对准星系的左边或右边,以观察光经过的路径。我们的选择决定了光子存在于两个互斥的历史中的某一个。就在此刻,我们自始至终决定着光子的(多条)路线——尽管事实上它的旅程始于10亿年前。
观众席中一位名叫卡罗尔·艾利(Carroll Alley)的物理学家正聚精会神地听着。艾利在普林斯顿已经认识惠勒,他曾师从物理学家罗伯特·亨利·迪克(Robert Henry Dicke),迪克的研究小组提出了在月球上安装镜子的想法。
迪克和他的团队对通过观察地月之间微妙的引力相互作用来研究广义相对论很感兴趣,这需要非常精确地测量月球沿轨道运动时地月间的距离。他们意识到,如果可以将镜子安装在月球表面,就可以将激光反射回来,并计算光的回程时间。艾利成为NASA项目的首席研究员,并在月球上装了三面镜子:第一面镜子是1969年由尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)安置的。
当艾利听着惠勒的演讲时,他突然意识到也许可以利用测量月球反射激光相同的技术,在实验室里实现惠勒的构想。从月球上的镜子返回的光信号非常微弱,艾利和他的团队开发了复杂的方法来测量单个光子,这正是惠勒延迟选择设置所要求的。
1984年,艾利和当时也坐在观众席的雅库波维奇(Oleg Jakubowicz)以及维克斯(William Wickes)一起最终完成了实验。正如惠勒所想象的那样:当下的测量可以创造过去。我们曾经以为的时间并不存在;过去并不会在未来之前不可磨灭。惠勒发现,历史——那种酝酿内疚的历史,那种潜伏在掩体里的历史——居然不可能一成不变。
尽管如此,惠勒还是没有找到基本的洞察。他知道,量子测量可以让现在的观察者创造过去,让宇宙靠自举(bootstrap)自我提升为存在。但量子测量是如何做到的呢?如果时间不属于原始的范畴,为什么它永不停息?惠勒的日记变成了一张明信片,一遍又一遍地写给自己。快点。存在的谜题讥讽着他。“如果我不继续攻克那个难题,我就不是‘我’,”他写道。“一旦停下来,我就会变成一个萎缩的老人。继续下去,我才神采奕奕。”
1988年,惠勒的健康状况开始不稳定;他在两年前已经接受了心脏手术。医生现在给了他一个大限。医生告诉他,他有望再活三到五年。在死亡的威胁下,惠勒变得沮丧起来,担心自己不能及时解开存在之谜,以弥补他自己在营救弟弟上的失败。在“道歉”的标题下,他在日记中写道:“要发展这些想法需要多年的工作。我——76岁了——还没得到它们。”
幸运的是,就像之前的科学家一样,医生们把时间的本质搞错了。惠勒的眼中依然闪烁着光芒,他孜孜不倦地研究量子力学的奥秘和奇怪的时间循环。“在量子的荣耀背后是——羞愧,”他在1999年6月11日写道。“为什么羞愧?因为我们仍然不明白量子从何而来。量子是自我创造的宇宙的信号吗?” 同年晚些时候,他写道:“存在何为?量子何来?死亡是对提出这种问题的惩罚吗……”
尽管惠勒的日记揭示了一个奋力孤独求索的人,但他的影响是广泛的。后来,斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)和他在比利时鲁汶大学理论物理研究所的合作者托马斯·赫托格(Thomas Hertog)一直在发展一种被称为自上而下(top-down)宇宙学的方法,这是惠勒延迟选择的直系后代。霍金和赫托格认为,就像来自遥远类星体的光子在无人观察的情况下同时走多条路径一样,宇宙也有多种历史。就像观测者可以通过测量来确定光子数十亿年前的历史一样,只有当观测者进行测量时,宇宙的历史才会变成现实。通过将量子力学定律应用于整个宇宙,霍金举起了惠勒那天在北卡罗莱纳机场点燃的火炬,挑战我们在这个过程中对时间的每一种直觉。自上而下的方法“导致了一种截然不同的宇宙观,”霍金写道,“以及因果关系”。这正是惠勒画龙“点睛”时——他自己创造的宇宙——一直所追求的。
2003年,惠勒还在追寻存在的意义。“就我所能想象的而言,我不可能如此合理地谈论‘存在是怎么来的’!他在日记中写道。“剩下的时间不多了!”
2008年4月13日,在新泽西州的海茨城(Hightstown),96岁的惠勒终于在与时间——那顽固而持久的幻觉——的赛跑中落败。 注释
[1] 原文:“I’d like to know/what this whole show/is all about/before it’s out.”
[2] 亨利·詹姆斯(Henry James,1843-1916):英籍美裔小说家、文学批评家、剧作家和散文家。
[3] 安东尼奥·马查多(Antonio Machado, 1875-1939):西班牙著名诗人。
[4] 译注:此句原文为“I am not ‘I’ unless I continue to hammer at that nut”,字面意为“除非我不断地敲那个坚果,否则我就不是‘我’了。”
本文作者Amanda Gefter是惠勒之女。她在2014年出版了《闯入爱因斯坦的草坪》(Trespassing on Einstein's Lawn: A Father, a Daughter, the Meaning of Nothing, and the Beginning of Everything)——一本关于她的父亲约翰·惠勒的回忆录。
ORDINARY QUANTUM MECHANICS (as far as I know) IS JUST FINE FOR ALL PRACTICAL PURPOSES. Even when I begin by insisting on this myself, and in capital letters, it is likely to be insisted on repeatedly in the course of the discussion. So it is convenient to have an abbreviation for the last phrase: FOR ALL PRACTICAL PURPOSES = FAPP (正统的量子力学就我所知在实践的角度上是够用的,我在这里用全大写加黑体来强调这一点,但是这远远不够。我在后续讨论中仍然要不断继续强调它,方便起见用一个缩写来表达:for all practical purpose =FAPP[1] - John Bell