惠勒：提出黑洞概念的物理学大师

►约翰·阿奇博尔德·惠勒。来源：boston.com

撰文 | 田筱超然

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说起约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）这个名字，可能大部分人都会觉得非常陌生。

但如果你在大学里上过物理课程，你一定认识理查德·费曼，这个有名的天才，不仅在物理学的多个领域做出了惊人的贡献，他物理学顽童的身份和众多轶事，更是让他被物理圈子之外的大众所熟知。

即使你没学过大学物理，你也可能看过电影《星际穿越》，并且对里面那个震撼人心的黑洞印象深刻，那么你应该会对这个黑洞形象的创作者、导演诺兰以及影片的科学顾问加州理工学院的基普·索恩（Kip Throne）存有敬意。因为在基普·索恩的指导下，30多个人、数千台计算机花费一年多的时间在银幕上展示了有史以来最为真实的黑洞形象。

甚至你连《星际穿越》也没有看过，不知道基普·索恩这个人，但你一定听说过“黑洞”（black hole）这个名词，这个宇宙中最为神秘的天体之一，是科幻影片、科普纪录片里的明星，它与时间旅行、宇宙起源等问题有着千丝万缕的联系，长期以来一直牵动着大众的神经。

而上面提到的两个人物，理查德·费曼和基普·索恩，他们都是惠勒的学生。黑洞一词也正是惠勒率先提出并发扬光大。

1911年7月9日，惠勒生于美国佛罗里达州的一个图书管理员家庭。他的父亲在自己的业务上颇为成功，这得益于他的人生信条：“凡事都可以做得比原来更好”“问题存在的意义就是为了被解决掉” ，这样的人生态度影响了幼年时期的惠勒，使他深深着迷于理解世界是如何运转的——为这样一个终极问题寻求答案，最终成为了惠勒毕生的追求。

1934年，当惠勒从约翰·霍普金斯大学毕业，他得到了去哥本哈根跟随著名物理学家玻尔工作一年的机会。和玻尔这位科学巨人一起工作的经历对惠勒产生了深刻的影响，关于这一点惠勒在他的自传中这样说到：“布瑞特（惠勒之前的导师）教会了我新的数学推导和计算技巧，而玻尔教给我一种新的看待这个世界的方式，一种新的提出问题的方式。毫无疑问，我做物理研究的风格是受到他们两位的影响。”

当惠勒最终在北卡罗莱纳大学安顿下来，开始考虑自己独立研究课题时，他把自己的研究方向选定在原子核物理这个方向上。在这个领域，他引入了散射矩阵和共振群结构的概念，它们后来都成为人们解决散射问题的重要理论工具，更重要的是，基于他与玻尔合作建立的原子核的液滴模型，他们提出了原子核的裂变机制——这是后来人们得以制造核武器的重要理论基础之一。

1938年的夏天，惠勒和家人一起搬到了普林斯顿大学，开始了他在普林斯顿的教学科研生涯。他在普林斯顿最早的几个学生之一，就是后来大名鼎鼎的理查德·费曼。这成为两人长达半个多世纪的友谊的开始，在惠勒的指导下，费曼完成的第一个工作成为了量子电动力学理论的奠基石之一。

然而，战争爆发了。

第二次世界大战改变了很多人的生命轨迹，这其中包括了惠勒、玻尔、费曼等人，他们都参与了“曼哈顿计划”。惠勒亲自参与到核裂变的实现和应用的巨大工程项目之中，他的内心想必是百感交集的。不仅是原子弹，在后续对氢弹的研制工作中，惠勒同样是主要的设计者之一。

二战结束之后，尤其是1952年以后，惠勒的研究兴趣转向了广义相对论。通过几何动力学理论，惠勒开拓了相对论天体物理学这个研究领域，而促使他转向广义相对论研究的，正是他在研究核物理和量子力学的过程中发现了一个很有趣的问题，惠勒后来回忆道：“1952年1月，我花了一段时间来学习奥本海默在1939年发表的两篇文章。他在文章中预言了，当质量很大的恒星的热核原料燃烧殆尽时，引力会导致恒星塌缩到一个奇点。这并非是一个毫无意义的数学结论，而是相对论实实在在的一个结果。”

起初惠勒对此很不理解，但是他最终承认这一结论是对的，并由此转向对广义相对论的进一步研究。1967年，他在一次学术会议上提出“黑洞”这一名词，用来取代以前“引力完全塌缩的星球”这一冗长的称呼。黑洞一词立刻因其简洁明了地描述了这类天体的性质，而被大家广泛接受。直到今天，黑洞这个概念甚至成为了普通大众津津乐道的话题，这一切至少从传播角度来说，就得感谢惠勒，更不用说，他还是相对论天体物理学的开拓者之一，为这个领域培养了许多人才。

除了上述两个领域，惠勒晚年的注意力开始转向物理学的基本问题，他提出了延迟选择实验、量子泡沫等概念，对物理学的本质问题进行了详细的讨论。虽然目前这些问题还没有得到完全透彻的理解，但惠勒的尝试功不可没。

作为“哥本哈根学派”的重要继承者，惠勒本人没有很高的知名度，但他所提出的概念早已深入人心，随着后人研究的深入，他所探求的事物本质也变得日渐清晰。