1945年，約翰·惠勒參與研發的原子彈終結了第二次世界大戰，卻沒能來得及挽救已經戰死的弟弟。這令惠勒懊悔不已，也讓他在後半生的學術生涯中，將大量精力用於研究時間與存在的物理學意義。這位為“蟲洞”、“黑洞”命名的物理學家，通過一個由雙縫干涉實驗改造的思想實驗，提出了大膽的時間觀：宇宙的歷史不是一成不變的，是我們的觀測決定了宇宙的演化歷程……
撰文 | Amanda Gefter
編譯 | 劉孝男
明信片上只寫了兩個字：“快點。”
當他收到弟弟喬（Joe）的明信片時，33歲的物理學家約翰·惠勒（John Wheeler）正在華盛頓州的漢福德工作，那裡有為洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）國家實驗室（美國原子武器研究基地）提供鈈的核反應堆。那是1944年的夏末，喬當時正在意大利的二戰前線奮戰。他很清楚他的哥哥在做什麼。他知道，5年前，惠勒與丹麥科學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）共同闡明瞭核裂變的物理機制：如果用中子去轟擊某些元素的不穩定同位素，比如鈾或者不久後被合成的鈈的同位素，沿著原子被轟擊的裂縫將釋放出難以想象的原子能。巨大的能量足以夷平一座城市，足以結束二戰。
收到弟弟的明信片後，惠勒儘可能加快了工作步伐。第二年夏天，曼哈頓計劃取得了成功。在新墨西哥州的穆爾託（Jornada del Muerto）沙漠上，物理學家引爆了人類歷史上的首次核爆炸，1000英尺內的沙子都融成了玻璃。 曼哈頓計劃的項目主任羅伯特·奧本海默（Robert Oppenheimer）站在10英里外的安全區大本營裡注視著這一切，心裡默唸起印度經文《薄伽梵歌》（Bhagavad Gita）中的句子：“現在我成了死神，世界的毀滅者。”此時身處漢福德的惠勒正想著一些不同的事情。他希望他們的成功為時不晚。他不知道的是，在佛羅倫薩附近的山坡上，他的弟弟喬躺在一個坑裡，已經沒了呼吸。
惠勒得知這個消息後悲痛欲絕，陷入了深深的自責。“如果原子彈項目能早一年開始，然後早一年結束，也許就能多挽回1500萬條性命，而我的弟弟喬就在其中，” 他在回憶錄中寫道，“如果當初我努力嘗試的話，也許我可以說服決策者。”
時間。作為物理學家，惠勒曾經滿懷好奇地想要理解這個神秘的維度。現在，喬去世了，這個問題就成了私人恩怨。
“阻礙我徹底理解存在的意義的所有障礙中，沒有什麼比‘時間’更讓人沮喪，”惠勒在日記裡寫道，“解釋時間？你得解釋存在。解釋存在？你得解釋時間。”
在他人生的帷幕落下之前，惠勒比所有其他思想家都更加徹底地改變了我們對時間的理解——這是對弟弟的紀念引發的改變，一場由悔恨激起的革命。
時間之謎
1905年，也就是惠勒出生前六年，愛因斯坦闡述了狹義相對論。他發現時間在每個地方並不是以一致的速度穩定流動; 相反，它與觀察者的運動有關。你運動得越快，時間走的越慢。如果你能像光一樣快，你會看到時間停止並消失。
但是，幾年之後，量子力學的公式將物理學家引向了相反的結論。量子系統是由被稱作波函數的數學波描述的，它描述了在測量下發現系統處於任何給定狀態的概率。但波函數不是靜態的，它會隨著時間演化。換句話說，時間是定義在量子系統之外的，就像一個外部時鐘，一秒接著一秒，每一秒都有絕對的長度。這是對愛因斯坦理論的公然挑戰。
這就是惠勒在20世紀30年代踏入物理學領域時的情形——兩種理論僵持不下，時間的本質也就懸而未決。1940年的一個晚上，惠勒第一次隱約感覺到時間並不像看上去那樣。當時他在思考有關正電子的問題。正電子是電子的反粒子，有著相同的質量，相同的自旋，以及相反的電荷。但是，為什麼會存在這樣的反粒子?當他產生那個想法時，惠勒在電話裡對他的學生理查德·費曼說 :“它們都是相同的粒子!”
想象一下，在整個宇宙中只有一個電子，當它在時空中蜿蜒前行，沿著錯綜複雜的路徑，以至於我們產生錯覺：單個粒子產生了無數粒子，包括正電子。惠勒宣稱，正電子只不過是在時間上反向運動的電子。(善良的費曼在1965年諾貝爾物理學獎的獲獎感言中說，這個想法是他從惠勒那裡“竊取”的。)
完成曼哈頓計劃後，惠勒渴望回到普林斯頓去研究理論物理學，但計劃遭到了推遲。後來，他加入了物理學家愛德華·特勒(Edward Teller)的團隊，在洛斯阿拉莫斯製造一種比原子彈更致命的武器——氫彈。1952年11月1日，惠勒乘柯蒂斯號，在距離埃魯格拉布（Elugelab）島約35英里的太平洋海面上，目睹著美國引爆了一顆氫彈，其能量是摧毀廣島的原子彈的700倍。測試結束後，那座太平洋小島也就此消失。
並非基本？
完成了在洛斯阿拉莫斯的工作後，回到普林斯頓大學的惠勒愛上了廣義相對論和萬有引力。廣義相對論描述了質量如何將時空扭曲成奇異的幾何形狀，也就是我們所稱的引力。惠勒想知道時空的形狀能變得多奇怪。當惠勒把這個理論推到極限時，他被一個似乎能顛倒時間的東西深深吸引了。它被稱為愛因斯坦-羅森橋（Einstein-Rosen bridge），就像一條在宇宙中開闢捷徑的隧道，連接了時空中相距很遠的點。當你從一頭進去、從另一頭出來，就可以做到跑得比光速快，或者在時間上倒退。惠勒知道如何給晦澀難懂的數學概念取一個好名字來賦予它們生命，1957年，他給這個扭曲的實體取了個名字：
蟲洞（wormhole）。
蟲洞示意圖
當他在關於時空的理論中進一步推進時，惠勒遇到了另一處引力異常。在這裡，質量密度如此之大，以至於引力變得無限強大，時空被無限扭曲。同樣，惠勒給它起了個名字：黑洞。這是一個“時間”失去意義的地方，彷彿時間在這裡從未存在過。 “每個黑洞都會終結時間。”惠勒這樣寫道。
20世紀60年代，越南戰爭撕扯著美國的文化，惠勒卻在努力地修補廣義相對論和量子力學之間的裂痕，這個裂痕叫作時間。1965年的一天，惠勒在北卡羅來納州等待轉機時，請同事布萊斯·德威特(Bryce DeWitt)在機場陪了他幾個小時。在機場，惠勒和德威特寫下了一個波函數方程，惠勒稱之為愛因斯坦-薛定諤方程，後來人們將其命名為惠勒-德威特方程。(德維特後來叫它“那個該死的方程”。)
惠勒和德維特的波函數描述的不是某個實驗室中粒子的運動，而是整個宇宙。唯一的問題是，時鐘應放在何處？他們不能把它放在宇宙之外，因為根據定義，宇宙沒有外部。所以，他們的方程在成功地結合了相對論和量子理論精華的同時，也描述了一個無法演化的宇宙——陷入單一、永恆的瞬間中，如同被凍結的宇宙。
惠勒對蟲洞的研究已經表明，如同電子和正電子一樣，我們或許可以彎曲和折斷時間箭頭。與此同時，他在黑洞領域的工作使他懷疑，時間在本質上是不存在的。那個該死的方程讓惠勒有了一個揮之不去的預感，那就是時間不可能是現實的基本要素。就像愛因斯坦說的，它一定是一種頑固而持久的錯覺，是我們被困在一個只有內部的宇宙中的結果。
惠勒確信存在之謎（反過來也是時間之謎）的核心線索是量子測量。他發現量子理論的奇異之處在於，當觀察者進行測量時，他測量的並不是世界上已經存在的東西。相反，是他的測量通過某種方法將這種東西變成了現實——一個匪夷所思的事實，很難讓人相信，除非是被雙縫實驗一遍又一遍地證實。這個實驗一直縈繞在惠勒的腦海中。
雙縫實驗
在這個實驗中，激光源每次發射出單個光子，打在一塊刻有兩條平行狹縫的屏幕上，然後落在另一邊的感光板上，留下一個光點。每個光子有一半的機會通過兩條狹縫中的一條,所以經過很多次之後, 你會認為感光片上應該有兩個大光斑，一個光斑代表著通過狹縫A的那部分光子，另一個光斑代表著通過狹縫B的那部分光子。實際上不是這樣。相反，你會看到一系列的黑白條紋——一個干涉圖樣。“看著這個實驗，量子行為變得栩栩如生，”惠勒寫道，“儘管它在概念上很簡單，但卻醒目地揭示了量子理論令人難以置信的奇異之處。”
儘管聽上去匪夷所思，但干涉圖樣的出現只能意味著一件事:每個光子同時穿過了兩條狹縫。當光子飛向屏幕時，可以用量子波函數描述，在屏幕上，波函數一分為二。同一個光子的兩個版本分別穿過了兩個狹縫，當它們在另一邊出現時，波函數重組——只是現在它們有些不同步了。在波對齊的地方，光被放大，在板上產生亮條紋，在它們不同步的地方，光自我抵消了，留下暗條紋。
然而，當你試圖捕捉穿過縫隙的光子時，事情就變得更加奇怪了。在每個狹縫處放置一個探測器，然後再次進行實驗，光子一個接一個地發射，感光片上開始出現圖樣。這時的圖樣不是條紋，而是兩個大光斑，每個狹縫對著一個：每個光子一次只走一條路徑，好像它知道自己被監視了。
光子當然什麼都不知道。但是一旦選擇了測量系統的哪個屬性，我們就決定了系統的狀態。如果我們不問光子走哪條路徑，它會同時走這兩條路徑。我們的詢問決定了路徑。
惠勒想知道，這個想法能否推廣開來。我們可以詢問存在的起源嗎，大爆炸和138億年的宇宙歷史呢？宇宙的誕生呢？ “量子原理是巨型冰山的一角，”惠勒於1974年6月27日在他的日記中寫道，“過去、現在和未來的關係比我們想象的更緊密。”
約翰·惠勒
延遲選擇
在他的日記裡，惠勒為宇宙畫了一幅類似大寫字母U的畫，一隻巨大的眼睛位於最左端，目光穿過這個字母中間的深淵，注視著最右端，那裡是時間的起源。當你從右往左，沿著“U”字形去看，你會看到隨著時間推移，宇宙在成長。恆星形成然後死亡，將它們的原料（包含碳）噴向空曠的宇宙。在天空的一角，一些碳落在一顆岩石行星上，合併成一些原始的物質，生長，演化，直到…一隻眼睛! 宇宙創造了一個觀察者，現在，在量子測量行為下，這個觀察者回望並且反過來創造了宇宙。惠勒在這幅畫下面潦草地寫道：宇宙是一個自激的系統。
惠勒知道，這幅畫的問題在於它與我們對時間的最基本理解相沖突。電子在時間上反向運動或者蟲洞逆轉了時間的箭頭是一回事，而討論因果關係又完全是另一回事。我們原以為是“過去”流向了“現在”，如今的情況是“現在”反過來產生了“過去”。
1979年，惠勒在馬里蘭大學的一次演講中，提出了一個大膽的思想實驗，這個實驗後來成了他關於時間的觀點最經典的應用：延遲選擇。
惠勒意識到，可以調整雙縫實驗，讓觀察者能夠在光子穿過狹縫以後再決定他想看到的是條紋還是光斑——也就是說，他可以創造現實。在光子打到感光片之前的最後一刻，他可以選擇取下感光片，換成兩個小望遠鏡：一個指向左邊的狹縫，另一個指向右邊的狹縫。望遠鏡能分辨出光子穿過的是哪個狹縫。但是如果觀察者不換走感光板，干涉圖樣就形成了。觀測者的延遲選擇決定了光子是走了一條路徑還是同時走了兩條路徑。
對惠勒來說，這不僅僅是好玩，也是為了研究宇宙存在的線索。他需要這個機制來讓他的U型圖發揮作用，進而改變時間的規則，讓誕生於138億年前的宇宙，被我們自己創造於當下。
惠勒說，要明白這一點，只需進行延遲選擇實驗，並將其放大。想象一下光從十億光年外的類星體向地球飛來。一個巨大的星系位於類星體和地球之間，它的引力場像透鏡一樣改變了光的路徑。光線在星系周圍彎曲，以同樣的概率從它的左邊或者右邊繞過，為了進行思想實驗，假設每次只能有一個光子到達地球。現在我們面臨著相似的情況:我們可以將感光板置於光線到達點的中心，在那裡，干涉圖樣將逐漸出現；或者我們可以將望遠鏡對準銀河系的左邊或右邊，看看光線經過的路徑。我們的選擇決定了光子經歷了兩個互斥的歷史中的哪一個。我們決定了它從開始到結束的路線，儘管它在10億年前就開始了它的旅程。
1984年，物理學家卡羅爾·阿利（Carroll Alley）最終完成了這個實驗，他是惠勒演講當天在場的觀眾。正如惠勒所想象的那樣：在現在進行的測量可以創造過去。我們曾經熟知的時間並不存在；過去並不是不可改變地發生在將來之前。惠勒發現，歷史從不是一成不變的。
與時間賽跑
儘管如此，惠勒還是沒有弄清一些基本的問題。他知道量子測量可以讓現在的觀察者創造過去，宇宙通過自身的力量讓自己存在。但是量子測量是如何做到的?如果時間不是基本的，為何它又如此無情?“我得繼續死磕這個問題，否則我就不是‘我’了”，惠勒在日記裡寫道，“停下來，我就會變成一個畏縮的老頭；接著做，我的眼睛才會繼續閃光。”
1988年，惠勒的健康狀況有所惡化。他兩年前就已經做過心臟手術了，現在，他的醫生說他可以再活三到五年。在死亡的威脅下，惠勒變得沮喪起來，他擔心自己無法及時解開存在的奧秘，甚至無法彌補挽救不了弟弟的失敗。他在日記中“致歉”的標題下寫道，“要發展這些想法需要多年的時間，而我已經76歲，我沒有時間了。”
幸運的是，就像之前的科學家一樣，醫生們把時間的本質搞錯了。惠勒眼裡的光芒繼續閃耀，他不斷鑽研量子力學的奧秘和時間的奇怪循環。“在量子光輝的背後，是恥辱”，他在1999年6月11日寫道，“為什麼是恥辱?因為我們仍然不明白量子是怎麼來的。量子是宇宙自我創造的信號?”那一年晚些時候，他寫道：“存在是怎麼來的?量子是怎麼來的?對於提出這樣的問題的人，難道死亡就是懲罰嗎？”
雖然惠勒的日記展示了一個孤獨求索的人，但他的影響卻非常深遠。在他生命的最後幾年，斯蒂芬·霍金和他的合作者、比利時魯汶大學理論物理研究所的托馬斯·赫託格共同發展了“自上而下”的宇宙學，這是惠勒推遲選擇的直接產物。正如來自遙遠類星體的光子在無人注意的情況下會同時走多條路徑一樣，霍金和赫託格認為，宇宙有著多重歷史。
正如觀測者能夠測量出數十億年前光子的歷史一樣，宇宙的歷史只有在觀測者進行測量時才會成為現實。通過將量子力學定律應用於整個宇宙，霍金在惠勒的基礎上挑戰我們對時間的直覺。“自上向下的方法導致了一種完全不同的宇宙觀，”霍金寫道，“以及因果關係。”這正是惠勒對他創造的宇宙的描述。
2003年，惠勒還在追尋存在的意義。“我無法想象我能如此理智地談論‘為什麼存在’，他在日記中寫道，“我剩下的時間不多了!”
2008年4月13日，在新澤西州海茨敦，96歲地約翰·惠勒最終失去了與時間賽跑的機會。那頑固而持久的幻覺。
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