互聯(lián)網(wǎng)以其迷宮般的結(jié)構(gòu)，象征著科學(xué)走向并行、遠(yuǎn)離周期性和線性的趨勢。 互聯(lián)網(wǎng)的基本思想是，沒有任何東西注定要沿著圓形、直線或曲線軌跡移動(dòng)。 相反，自然狀態(tài)是系統(tǒng)的組件以各種可能的方式進(jìn)行交互，并有多種選擇。
這些相互作用的唯一限制是守恒定律和其他物理定律，例如電荷守恒定律。 有時(shí)實(shí)驗(yàn)證據(jù)會引導(dǎo)我們修改這些定律并重新思考如何設(shè)定新的限制。
最終，引導(dǎo)忒修斯走出迷宮的阿里阿德涅之線出現(xiàn)了：一條組織原則。 這種選擇機(jī)制揭示了穿越充滿可能性的世界的最佳路徑。 有時(shí)，就像在經(jīng)典物理學(xué)中一樣，最佳路徑是物體確定的路徑，而在量子物理學(xué)中，最佳路徑?jīng)Q定了可能性概率分布的峰值。
理查德·費(fèi)曼很早就意識到這一切的原型是光學(xué)。 簡單地說，我們想象光沿直線傳播，遇到鏡子時(shí)被反射，通過透鏡時(shí)被彎曲，因?yàn)樗偸潜痪o緊地集中成一束細(xì)光束。 但除非它是極窄的激光束，否則光不會按照我們想象的方式移動(dòng)。 費(fèi)馬的最小時(shí)間原理使費(fèi)曼認(rèn)識到，一般來說，光的這種行為僅構(gòu)成了我們看不到的大量波的干涉圖樣的波峰。 作為一種組織原則，最短時(shí)間原則使空間中光波的大雜燴變得有序，從而產(chǎn)生了光。
在基本粒子領(lǐng)域，費(fèi)曼也出色地應(yīng)用了這個(gè)概念：從相互作用的迷宮中提取秩序，遵守守恒定律和組織原則。 他在伊莎倫學(xué)院的一次演講中描述了他的總體方法論：“我玩的游戲非常有趣。這是一種穿著緊身衣的想象，這意味著它必須符合已知的物理定律。”
約翰·惠勒驚嘆于費(fèi)曼總結(jié)歷史的方法如何能夠如此完美地從所有量子可能性中提取出明確的結(jié)果，以前所未有的方式將量子物理學(xué)與經(jīng)典物理學(xué)聯(lián)系起來。 雖然粒子和場以物理學(xué)允許的所有方式相互作用，但對它們進(jìn)行加權(quán)會產(chǎn)生我們實(shí)際觀察到的現(xiàn)象。 惠勒對這種方法的倡導(dǎo)啟發(fā)了布萊斯·德威特和查爾斯·米斯納等偉大的物理學(xué)家用它來探索量子引力的可能模型。 惠勒關(guān)于量子測量的問題也促使休·埃弗里特提出多世界解釋，即當(dāng)觀察者觀察到的系統(tǒng)開始時(shí)，他們就會分裂并進(jìn)入不同的世界。
費(fèi)曼圖描述了歷史求和方法所考慮的各種可能性，已成為當(dāng)代理論物理學(xué)家不可或缺的工具。 除了描述電磁相互作用外，它還擴(kuò)展到弱相互作用和強(qiáng)相互作用領(lǐng)域。 事實(shí)證明，費(fèi)曼圖在粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。 標(biāo)準(zhǔn)模型全面描述了除重力之外的所有力以及自然界已知的物質(zhì)成分，它是迄今為止對物理學(xué)最成功的解釋之一。
惠勒一生的愿望是了解宇宙最基本的組成部分。 在他的職業(yè)生涯中，他多次改變了對這個(gè)問題的看法：首先轉(zhuǎn)向粒子，然后轉(zhuǎn)向場和幾何結(jié)構(gòu)，最后轉(zhuǎn)向信息。 他還想了解組織原則如何使這些基本組件形成可識別的模式。 將基于最小作用原理的歷史求和方法應(yīng)用于量子物理學(xué)是他的想法之一，但他也會考慮其他想法。 最終，惠勒確信答案與“自激回路”有關(guān)，這是有意識的觀察者與被觀察者（宇宙的過去）之間的共生關(guān)系。 通過回到過去，我們以某種方式從量子泡沫的多種可能性中組裝了我們的宇宙。 因此，在惠勒的心中，存在著“為什么存在？”兩個(gè)問題。 和“為什么會有量子？” 有著千絲萬縷的聯(lián)系。
今天，我們在贊揚(yáng)標(biāo)準(zhǔn)模型的同時(shí)，也認(rèn)識到它的局限性并希望超越它。 標(biāo)準(zhǔn)模型最明顯的缺陷是它不包括暗物質(zhì)和暗能量。 暗物質(zhì)和暗能量是宇宙中不可見的組成部分，在惠勒生命的最后幾十年中被識別出來，但尚未被發(fā)現(xiàn)。 暗物質(zhì)是保持星系完整并聚集在一起的隱藏“粘合劑”。 20世紀(jì)60年代和1970年代，維拉·魯賓（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）在華盛頓卡內(nèi)基研究所進(jìn)行了星系旋轉(zhuǎn)的研究，證明了這種缺失材料對于星系的必要性。 進(jìn)一步的天文觀測也證實(shí)了暗物質(zhì)存在于整個(gè)宇宙中，但我們?nèi)匀徊恢浪摹罢婷婺俊薄?span style="display:none">f7d物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
暗能量是另一個(gè)巨大的科學(xué)謎團(tuán)，是加速宇宙膨脹的未知推進(jìn)劑。 20 世紀(jì) 90 年代末，兩個(gè)研究小組都發(fā)現(xiàn)宇宙不僅自大爆炸以來一直在膨脹，而且還在加速膨脹。 沒有人知道是什么導(dǎo)致宇宙膨脹得越來越快，科學(xué)家也不確定膨脹是否會加速、減慢或保持穩(wěn)定。
對暗物質(zhì)和暗能量的可能成分的搜索正在進(jìn)行中，如果研究人員識別出這些成分，他們可能需要修改標(biāo)準(zhǔn)模型以包含這些新成分。 物理學(xué)家 Frank 提出暗物質(zhì)可能包含“軸子”，這是一種假設(shè)粒子，可以解釋為什么強(qiáng)相互作用是 CP 不變的（而弱相互作用則不是）。 暗物質(zhì)也可能包含普通粒子的超對稱伙伴。 超弦理論將導(dǎo)出低能量極限下標(biāo)準(zhǔn)模型的修正理論，預(yù)測普通粒子超對稱伙伴的存在。 物理學(xué)家對于暗能量的本質(zhì)更加困惑，目前幾乎沒有可靠的線索。
當(dāng)代物理學(xué)的另一個(gè)謎團(tuán)是為什么引力與其他三種自然力如此不同。 自費(fèi)曼、惠勒和德威特時(shí)代以來，這個(gè)問題一直困擾著許多物理學(xué)家。 為什么它比其他相互作用弱得多？ 如何使用量子場論的方法以數(shù)學(xué)上一致的方式描述它？
如今，在統(tǒng)一包括重力在內(nèi)的所有自然力的理論中，最流行的是M理論，它是超弦理論的廣義版本，包括振動(dòng)能量膜和各種弦結(jié)構(gòu)（超對稱和非超對稱）。 對稱）。 M理論的基本組成部分不是點(diǎn)粒子，而是普朗克長度尺寸的弦和膜，以多種模式相互作用。 它們僅在 10 維或 11 維空間中在數(shù)學(xué)上是一致的，其中至少有 6 個(gè)維卷曲成卷餅狀，稱為卡拉比-丘流形。 理論物理學(xué)家修改費(fèi)曼圖以包含如此高維空間中的物體及其可能的相互作用。
M 理論的最大問題是，它提供了關(guān)于其不同組件的屬性以及卡拉比-丘流形的空間配置方式的一系列驚人的可能性。 -Yau 流形估計(jì)有 10,500 種可能性：一個(gè)復(fù)雜得令人發(fā)狂的迷宮。 將M理論的“景觀”縮小到只包含現(xiàn)實(shí)無疑是一個(gè)艱巨的過程，需要極其強(qiáng)大的過濾規(guī)則。 斯坦福大學(xué)的物理學(xué)家 提出可以利用人擇原理來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，但其他人懷疑人擇原理是否足以排除如此大量的可能性。
一個(gè)相關(guān)的推測概念是“多元宇宙”，即多個(gè)宇宙的集合。 多元宇宙存在于物理空間中，盡管是在我們無法觸及的區(qū)域。 多元宇宙的概念出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)物理學(xué)家安德烈·林德提出了“混沌膨脹”的概念。 混沌膨脹理論認(rèn)為，宇宙最初是“標(biāo)量場”中隨機(jī)量子漲落的“溫床”。 特別有利的波動(dòng)產(chǎn)生了“泡沫宇宙”的種子，它經(jīng)歷了一段短暫的超高速膨脹時(shí)期，稱為通貨膨脹。 空間正在極其迅速地拉伸，有助于消除溫差，這與宇宙微波背景輻射的大范圍均勻性一致。
多元宇宙的想法開啟了許多奇異的可能性。 另一個(gè)泡沫宇宙可能會隨機(jī)產(chǎn)生一顆與地球幾乎相同的行星，除了一些細(xì)微的差別。 請注意，不僅在多氣泡宇宙的圖中才能產(chǎn)生與地球相同或相似的行星。 無限的單一宇宙也可以做同樣的事情。 宇宙中的行星越多，地球的發(fā)展發(fā)生在其他地方的可能性就越大。
現(xiàn)在，我們蜿蜒的時(shí)空之旅即將結(jié)束。 在整個(gè)旅程中，我們遇到了比我們想象的更多的“瘋狂想法”，同時(shí)我們始終以一個(gè)令人放心的指導(dǎo)原則保持頭腦清醒：正如歷史的總和告訴我們的那樣，無論我們經(jīng)歷的道路多么奇怪空間和時(shí)間，總是有許多其他的，甚至更陌生的路徑。
圖片設(shè)計(jì)：悅悅
素材來源：//《量子迷宮》
封面圖文摘自《量子迷宮》（Paul 著，齊世邦譯，中信出版社·鸚鵡螺，2020年5月），經(jīng)出版社許可使用。
關(guān)于作者：
保羅·哈爾彭
他是費(fèi)城科學(xué)大學(xué)的物理學(xué)教授，也是許多科普書籍的作者。 他曾獲得古根海姆獎(jiǎng)學(xué)金、富布賴特科學(xué)獎(jiǎng)學(xué)金計(jì)劃和雅典娜文學(xué)獎(jiǎng)。 參加過許多廣播和電視節(jié)目，并為多家媒體做出過貢獻(xiàn)。
簡單的介紹：
本書講述了兩位杰出物理學(xué)家費(fèi)曼和惠勒從相識到取得重大科學(xué)突破，并最終成為終生好友的故事。 經(jīng)過師徒二人的共同努力，人們對時(shí)間和現(xiàn)實(shí)的認(rèn)知被徹底改變。
1939年，理查德·費(fèi)曼作為麻省理工學(xué)院的一名優(yōu)秀研究生，來到普林斯頓大學(xué)約翰·惠勒的辦公室，成為惠勒的助教。 兩人結(jié)下了終生的友誼，合作卓有成效，但性格卻截然不同。 惠勒說話輕聲細(xì)語，看似保守量子物理學(xué)史話量子物理學(xué)史話，但他的宇宙觀卻一點(diǎn)也不保守，腦子里充滿了大膽的想法。 活潑的費(fèi)曼對學(xué)術(shù)非常謹(jǐn)慎。 他只相信經(jīng)過驗(yàn)證的理論。 但他們的想法是互補(bǔ)的。 他們的合作使人們對時(shí)間和現(xiàn)實(shí)的本質(zhì)有了新的理解。 費(fèi)曼提出，量子現(xiàn)實(shí)實(shí)際上是由一系列變化且矛盾的可能性組成的。 這啟發(fā)惠勒發(fā)展了蟲洞理論，打開了連接未來和過去的通道。 這一理論也成為他最重要的發(fā)現(xiàn)。 兩個(gè)人徹底改變了人們對量子物理學(xué)的理解。
兩個(gè)人的關(guān)系并不像傳統(tǒng)的師生關(guān)系。 他們在這段關(guān)系中處于一個(gè)相對平衡的位置。 正是由于這種合作關(guān)系，他們在量子物理領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。 費(fèi)曼提出并以惠勒命名的“歷史和”概念解釋了量子物理學(xué)的基本問題。 費(fèi)曼和惠勒認(rèn)為，要準(zhǔn)確回答一個(gè)量子問題，必須考慮各個(gè)方面，而現(xiàn)實(shí)是各個(gè)方面的綜合。
這兩位物理學(xué)家組成了完美的團(tuán)隊(duì)。 費(fèi)曼擁有出色的計(jì)算能力，并且一絲不茍、謹(jǐn)慎小心。 惠勒的想法大膽而富有想象力。 兩人合作將奇怪的假設(shè)發(fā)展成實(shí)際的解決方案。 在普林斯頓惠勒的辦公室里，兩人開始了終生、無所畏懼的探索。
