互聯網以其迷宮般的結構，象征著科學走向并行、遠離周期性和線性的趨勢。 互聯網的基本思想是，沒有任何東西注定要沿著圓形、直線或曲線軌跡移動。 相反，自然狀態是系統的組件以各種可能的方式進行交互，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。 有時實驗證據會引導我們修改這些定律并重新思考如何設定新的限制。
最終，引導忒修斯走出迷宮的阿里阿德涅之線出現了：一條組織原則。 這種選擇機制揭示了穿越充滿可能性的世界的最佳路徑。 有時，就像在經典物理學中一樣，最佳路徑是物體確定的路徑，而在量子物理學中，最佳路徑決定了可能性概率分布的峰值。
理查德·費曼很早就意識到這一切的原型是光學。 簡單地說，我們想象光沿直線傳播，遇到鏡子時被反射，通過透鏡時被彎曲，因為它總是被緊緊地集中成一束細光束。 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。 費馬的最小時間原理使費曼認識到，一般來說，光的這種行為僅構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，最短時間原則使空間中光波的大雜燴變得有序，從而產生了光。
在基本粒子領域，費曼也出色地應用了這個概念：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·惠勒驚嘆于費曼總結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果，以前所未有的方式將量子物理學與經典物理學聯系起來。 雖然粒子和場以物理學允許的所有方式相互作用，但對它們進行加權會產生我們實際觀察到的現象。 惠勒對這種方法的倡導啟發了布萊斯·德威特和查爾斯·米斯納等偉大的物理學家用它來探索量子引力的可能模型。 惠勒關于量子測量的問題也促使休·埃弗里特提出多世界解釋，即當觀察者觀察到的系統開始時，他們就會分裂并進入不同的世界。
費曼圖描述了歷史求和方法所考慮的各種可能性，已成為當代理論物理學家不可或缺的工具。 除了描述電磁相互作用外，它還擴展到弱相互作用和強相互作用領域。 事實證明，費曼圖在粒子物理標準模型的發展中發揮了重要作用。 標準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成分，它是迄今為止對物理學最成功的解釋之一。
惠勒一生的愿望是了解宇宙最基本的組成部分。 在他的職業生涯中，他多次改變了對這個問題的看法：首先轉向粒子，然后轉向場和幾何結構，最后轉向信息。 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用于量子物理學是他的想法之一，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，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？”兩個問題。 和“為什么會有量子？” 有著千絲萬縷的聯系。
今天，我們在贊揚標準模型的同時，也認識到它的局限性并希望超越它。 標準模型最明顯的缺陷是它不包括暗物質和暗能量。 暗物質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，但尚未被發現。 暗物質是保持星系完整并聚集在一起的隱藏“粘合劑”。 20世紀60年代和1970年代，維拉·魯賓（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）在華盛頓卡內基研究所進行了星系旋轉的研究，證明了這種缺失材料對于星系的必要性。 進一步的天文觀測也證實了暗物質存在于整個宇宙中，但我們仍然不知道它的“真面目”。
暗能量是另一個巨大的科學謎團，是加速宇宙膨脹的未知推進劑。 20 世紀 90 年代末，兩個研究小組都發現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致宇宙膨脹得越來越快，科學家也不確定膨脹是否會加速、減慢或保持穩定。
對暗物質和暗能量的可能成分的搜索正在進行中，如果研究人員識別出這些成分，他們可能需要修改標準模型以包含這些新成分。 物理學家 Frank 提出暗物質可能包含“軸子”，這是一種假設粒子，可以解釋為什么強相互作用是 CP 不變的（而弱相互作用則不是）。 暗物質也可能包含普通粒子的超對稱伙伴。 超弦理論將導出低能量極限下標準模型的修正理論，預測普通粒子超對稱伙伴的存在。 物理學家對于暗能量的本質更加困惑，目前幾乎沒有可靠的線索。
當代物理學的另一個謎團是為什么引力與其他三種自然力如此不同。 自費曼、惠勒和德威特時代以來，這個問題一直困擾著許多物理學家。 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學上一致的方式描述它？
如今，在統一包括重力在內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，包括振動能量膜和各種弦結構（超對稱和非超對稱）。 對稱）。 M理論的基本組成部分不是點粒子，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 維空間中在數學上是一致的，其中至少有 6 個維卷曲成卷餅狀，稱為卡拉比-丘流形。 理論物理學家修改費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 流形估計有 10,500 種可能性：一個復雜得令人發狂的迷宮。 將M理論的“景觀”縮小到只包含現實無疑是一個艱巨的過程，需要極其強大的過濾規則。 斯坦福大學的物理學家 提出可以利用人擇原理來實現這一目標，但其他人懷疑人擇原理是否足以排除如此大量的可能性。
一個相關的推測概念是“多元宇宙”，即多個宇宙的集合。 多元宇宙存在于物理空間中，盡管是在我們無法觸及的區域。 多元宇宙的概念出現在20世紀80年代，當時物理學家安德烈·林德提出了“混沌膨脹”的概念。 混沌膨脹理論認為，宇宙最初是“標量場”中隨機量子漲落的“溫床”。 特別有利的波動產生了“泡沫宇宙”的種子，它經歷了一段短暫的超高速膨脹時期，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。 另一個泡沫宇宙可能會隨機產生一顆與地球幾乎相同的行星，除了一些細微的差別。 請注意，不僅在多氣泡宇宙的圖中才能產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，地球的發展發生在其他地方的可能性就越大。
現在，我們蜿蜒的時空之旅即將結束。 在整個旅程中，我們遇到了比我們想象的更多的“瘋狂想法”，同時我們始終以一個令人放心的指導原則保持頭腦清醒：正如歷史的總和告訴我們的那樣，無論我們經歷的道路多么奇怪空間和時間，總是有許多其他的，甚至更陌生的路徑。
圖片設計：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），經出版社許可使用。
關于作者：
保羅·哈爾彭
他是費城科學大學的物理學教授，也是許多科普書籍的作者。 他曾獲得古根海姆獎學金、富布賴特科學獎學金計劃和雅典娜文學獎。 參加過許多廣播和電視節目，并為多家媒體做出過貢獻。
簡單的介紹：
本書講述了兩位杰出物理學家費曼和惠勒從相識到取得重大科學突破，并最終成為終生好友的故事。 經過師徒二人的共同努力，人們對時間和現實的認知被徹底改變。
1939年，理查德·費曼作為麻省理工學院的一名優秀研究生，來到普林斯頓大學約翰·惠勒的辦公室，成為惠勒的助教。 兩人結下了終生的友誼，合作卓有成效，但性格卻截然不同。 惠勒說話輕聲細語，看似保守量子物理學史話量子物理學史話，但他的宇宙觀卻一點也不保守，腦子里充滿了大膽的想法。 活潑的費曼對學術非常謹慎。 他只相信經過驗證的理論。 但他們的想法是互補的。 他們的合作使人們對時間和現實的本質有了新的理解。 費曼提出，量子現實實際上是由一系列變化且矛盾的可能性組成的。 這啟發惠勒發展了蟲洞理論，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現。 兩個人徹底改變了人們對量子物理學的理解。
兩個人的關系并不像傳統的師生關系。 他們在這段關系中處于一個相對平衡的位置。 正是由于這種合作關系，他們在量子物理領域取得了重大進展。 費曼提出并以惠勒命名的“歷史和”概念解釋了量子物理學的基本問題。 費曼和惠勒認為，要準確回答一個量子問題，必須考慮各個方面，而現實是各個方面的綜合。
這兩位物理學家組成了完美的團隊。 費曼擁有出色的計算能力，并且一絲不茍、謹慎小心。 惠勒的想法大膽而富有想象力。 兩人合作將奇怪的假設發展成實際的解決方案。 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。
