三、对未来物理学的思考
相对论和量子论,二十世纪上半叶最伟大的两个物理学理论至今不能融合,这本身也是一个悖论。作为为数不多的同时对量子论和(广义)相对论有深入研究的物理学家之一,惠勒同时进行着几个层面的思考,既考虑物理学本性的二阶问题,也构想未来物理学可能的基本因素。在本书最后一篇文章《万物源于比特》中,他提出了关于未来物理学的“三个问题”:存在如何,量子如何,观察如何创造?并提出了解决问题的“四个没有”的原则和“五条线索”。这些思想虽然已经构成了一个庞大的系统,各个部分之间有着紧密的联系,但是还没有形成完整的体系,依然包含着众多的猜想和可能性。而其魅力,可能恰恰来自于这些可能性。惠勒不是给出了答案,而是向我们提出了问题。下面举几个例子:
变易性。从物理学结构上,惠勒构造了一个变易性的阶梯。这个阶梯的最下层是最古老的弹性定律,弹性定律假设密度是不变的常量。而在我们能够产生足够的压力之后,密度就成为变量。化学价曾被认为是原子的固有属性,可以用来为原子排序,于是有门捷列夫元素周期表。但是原子核嬗变使这一条也发生了变化。每一条物理定律,都在某种物理条件的极端状态下被突破,被超越。依此类推,惠勒认为,一切定律都具有变易性(mutability),都不可能是不朽的,不可能像是刻在宇宙深处某一块石碑上的铭文,从永恒的过去一直到永恒的未来,一直存在。宇宙本身也有生有灭。物理世界和物理定律从大爆炸中进入存在,又将在大爆缩中遁出存在(在这样的描述中,似乎还有一个冥冥中的存在,超越于物理世界和物理定律。这是语言本身的无奈。事实上,我们对于时间的一切想象,都是以牛顿时间为背景的;我们对于空间的一切想象,也都是以欧氏空间为背景的。我们对于存在的想象,也是以牛顿的时空框架为背景的)。物理学定律到了最后,归结为一个恒等式,0≡0。边界之边界为零。于是,未来的统一物理学也必须满足边界之边界为零的条件。
物质的物理学和定律的物理学。惠勒认为,麦克斯韦时代的物理学是物质的物理学,这时物理学的目的是寻找构成物质世界的基本单元,把物理学的基础建立在更基本的粒子之上。而此后的物理学则是定律的物理学,具体的物理粒子成为理论本身的建构结果,不再基本。(《玛丽·斯科罗多夫斯卡·居里和小的世界》)惠勒力图把更多的物质转化成定律,前述“没有物质的物质”和“没有电荷的电荷”都是这种思想的表现。当然,这也可以用奥卡姆剃刀来解释。
推出时间、量子和连续性。既然物质和电荷都可以从物理学自身的结构中给出,惠勒大胆地猜想,现在从物理学之外给人的时间将来也可以从物理学中推导出来,由绝对的量变成近似的量,由基本的量变成导出的量。正如光速曾经是外来的、绝对的量,后来则成为导出的,近似的。事实上,惠勒希望把所有外来的量,乃至把物理学本身建立在观察之上,希望从最质朴的观察出发,给出量子的定义,时间的定义。并解决数学连续性和物理的分立之间的矛盾问题。这就是所谓物理学的质朴性。
2000年是量子理论问世一百周年,惠勒写了一篇文章《量子何为?——量子物理的荣耀与耻辱》表示纪念。(John A.Wheeler,How Come the Quan—tum?The Glory and the Shame 0f Quantum Physics,New York Times,De-cember 12,2000.)他说:
这就是普朗克之后一百年的量子物理,全部化学、生物学、计算机技术、天文学和宇宙学的理论基础。然而,如此值得自豪的基础,却仍不能知道其自身基础。我们可以相信,我确实相信,对于“量子何为”这个问题的回答也将被证明是对“存在何为”这个问题的回答。
2001年年初,惠勒在给我的电子邮件中指出:“未来的物理学应该来自于我们对量子理论的更深入理解,而不是来自对量子理论的评判。”
在对这些基本问题的思考中,惠勒从物理学走到了哲学。
三
能够集中表现惠勒思想的中文文献在2000年前只有两种。一是《物理学和质朴性:惠勒演讲集》(安徽科学技术出版社,1982年),这是惠勒在1981年访问中国时,在北京、合肥和上海发表的学术演讲。此书直接用中文出版,没有其他语种的版本。中国学者了解惠勒,大多始于此书。一是《科学和艺术中的结构》(童世骏、陈克艰译,华东师范大学出版社,1989年),这也是一部演讲集。1979年在德国的克龙贝格城,二十几位世界科学、哲学和艺术领域的一流人士聚在一起,就“科学与艺术中的结构”进行了专题讨论。会议共有四个专题发言,前三个发言者分别是心理学家、生物学家和小说家,惠勒是第四个。与会者皆一时俊杰,包括国内熟悉的科学哲学家卡尔·波普尔,艺术史家贡布里希,以及三位诺贝尔奖得主。这两种文献综合起来,大体上已经包含了惠勒就实在问题和科学走向问题的基本思想。后者还有一些问答,更可以凸现惠勒思想的新锐与超前。
惠勒出版的物理专业著作也有很多,中文本只有2000年在台湾出版的《引力》;惠勒传记Geons,Black Holes and Quantum Foam(《真子、黑洞和量子泡沫》)一书,台湾商周出版在2004年改名为《约翰·惠勒自传——物理历史与未来的见证者》(蔡承志译)出版。这部传记为惠勒与其高足Kenneth Ford合著。Kenneth Ford早年在很多家大学物理系担任过教授、系主任等职,还作过教育行政官员。如今也已退休。《宇宙逍遥》的翻译也得到了他的大力帮助。
而最能集中体现惠勒作为哲人科学家思想的则是其文集《宇宙逍遥》。这个译名是戈革先生的建议。(此书翻译期间,国内另有一部考夫曼(Stuart Kauff-man)的同名著作At Home in the Universe被译为《宇宙为家》,由湖南科技出版社2002年出版)该书包括六个部分,共24篇文章。其中第一部分“科学的微笑”和第六部分“超越黑洞”讨论的都是物理学基础问题以及实在本性问题,这是其思想最为尖锐和艰深的部分。前面已有较多介绍。第三篇文章《我们的宇宙:已知和未知》也可以作为科普文章来读。第二个部分“热忱与士气”篇幅较短,其中谈到了教育问题,谈到了对大学精神的理解(《普林斯顿的合作精神》),值得国内大学管理者“深长思之”。第三个部分“玻尔和爱因斯坦”中的六篇文章都与这两位大师有关。涉及了物理学史上的若干重大问题,阐释了重要的物理学思想,也谈到了科学家的社会责任、科学的社会意义等问题。第四部分“追忆伟人”与前一个部分类似,只是对象变成了居里夫人、外尔、克拉默斯和汤川秀树等人。从他回忆居里夫人和外尔的文章中,我们可以看到惠勒本人的一部分思想来源。第五部分“半生此生”讨论的则是科学社会学问题,惠勒对于“科学在现代生活中的位置”、“科学与生存”、科学家在现代社会中的价值和意义等问题的思考,他关于“重知识分子”和“轻知识分子”的提法,都能让我们有所借鉴。尤为让我惊奇的是,惠勒当年还曾经领导过科学的社会风险问题的研究。当然,相对于今日的科学社会学和科学知识社会学来说,惠勒的观点更多地反映了一位科学家的对于科学和社会问题的缺省理解。在这几个部分之中,还散落惠勒献给哥白尼、爱因斯坦等人的赞美诗,使我们看到一位物理学家多方面的才华。
惠勒的思想新奇瑰丽。就如惠勒在中文版序言中所说,人要能够跨越自己专业的狭隘视野。在该书第一篇文章中,惠勒就强调致统一概念,强调不同领域之间的融合。这是物理学家长久以来的大统一梦想(温伯格称之为“终极理论之梦”)的另一种表现。而惠勒的思想已经超越了物理学,成为人类文化的共同财富。
张志林教授在一次清华演讲中,与刘兵教授就相对主义问题发生了争论。张志林教授本来是坐着的,一下子站了起来,说:真正的理论一定是绝对论的。他大意是说,只有绝对论的东西才能体现高超的理论技巧和思维能力,而相对主义则可以对不同理论间的分歧以相对的名义坐视不顾。这种反驳若是泛泛而论,我多半是要站在张志林教授的对面。但是对于理论物理而言,则让我深受启发。实际上,即使不再坚持牛顿意义或者爱因斯坦意义的物理实在,理论物理学家依然追寻着终极的理论之梦,如果月亮就是手指,则(量子论和相对论)理论形式上的统一,就是实在层面上的统一。这正是理论物理学家施展其高超的思维能力的舞台。
惠勒说,茫茫宇宙中发生的奇迹,胜过人们在“最狂野的梦里所能想象出来的最灿烂的焰火”(《我们的宇宙:已知与未知》),对我来说,惠勒这位理论物理学家张扬无羁的思想狂欢,充满激情的理性和充满理性的激情,也如狂野之梦中的焰火!
(《宇宙逍遥》,惠勒著,田松、南宫梅芳译,北京理工大学出版社2006年4月版.34.00元)