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费曼、惠勒和量子物理学史话
周期性时间与线性时间自古以来就形成了鲜明的对比。今天,我们在日常生活中又遇见了看待时间的第三种方式,即把它视为一座充满无数可能性的迷宫。在这个信息时代,得益于互联网和超文本,我们发现自己置身于充斥着无限复杂性的迷宫之中。

有着迷宫般结构的互联网,是科学趋向平行性而远离周期性和线性的标志。互联网的基本理念是,没有什么东西注定要沿着环形、直线或曲线轨迹运动。相反,对系统的各个组分而言,自然状态就是以各种可能的方式相互作用,选择很多。

能限制这些相互作用的只有守恒律和其他物理学定律,比如电荷守恒。有时候,实验证据会促使我们修正这些定律,重新思考如何设置新的限制。

最终,引导忒修斯走出迷宫的阿里阿德涅线团出现了:一个组织原理。这种选择机制揭示出穿过可能性世界的最佳路径。有时候,比如在经典物理学中,最佳路径是物体确定采取的路径,而在量子物理学中,最佳路径决定了可能性概率分布的峰值。

理查德·费曼很早就意识到,这一切的原型是光学。简单来说,我们想象光沿直线传播,遇到镜子会发生反射,穿过透镜会发生弯折,因为总是紧紧地集中成细细的一束。但除非是极窄的激光束,否则光的运动并非我们想象的那样。费马最短时间原理让费曼意识到,总的来说,光的这种行为只构成了我们看不见的大量波的干涉图样的波峰。作为一条组织原理,最短时间原理为空间中的光波“大杂烩”带来了秩序,产生了光线。

在基本粒子领域,费曼也出色地运用了这个概念:在遵循守恒律和一条组织原理的前提下,从一座由各种相互作用组成的迷宫中提取出秩序。他在伊莎兰学院的讲座中描述了他的总体方法论:“我玩的游戏非常有趣。它是一种穿着紧身衣的想象,也就是说它必须符合已知的物理学定律。”

约翰·惠勒惊叹于费曼的对历史求和方法,能如此优美地从所有量子可能性中,提取出一个确定的结果,它以前所未有的方式把量子物理学和经典物理学联系起来。虽然粒子以物理学允许的所有方式相互作用,但对它们进行加权计算就产生了我们实际观测到的现象。惠勒对这个方法的倡导,启发了布莱斯·德威特查尔斯·米斯纳等伟大的物理学家运用它去探索了可能的量子引力模型。惠勒提出的关于量子测量的问题,也促使休·埃弗雷特提出多世界诠释,即观测者会随着他们观测的系统发生分裂,并进入不同的世界。

费曼图描述了对历史求和方法考虑的各种可能性,它已经成为当代理论物理学家的一种不可或缺的工具。除了描述电磁相互作用,它也被延伸至弱相互作用和强相互作用领域,事实证明,在粒子物理学标准模型的发展过程中,费曼图起到了重要作用。标准模型全面描述了除引力之外的所有力和自然的已知物质组分,它是有史以来最成功的物理学解释之一。

惠勒一生都渴望理解宇宙的最基本组分。在他的职业生涯中,对于这个问题,他几次改变观点:一开始是粒子,然后是场和几何结构,最后是信息。他也想了解组织原理是如何使这些基本组分形成可识别模式的。将基于最小作用量原理的对历史求和方法应用于量子物理学,是他的想法之一,但他也会考虑其他想法。最终,惠勒确信答案一定跟“自激电路”有关,即有意识的观测者和被观测的东西(宇宙的过去)之间的一种共生关系。通过回溯至过去,我们以某种方式从量子泡沫的众多可能性中组建出我们的宇宙。因此,在惠勒心中,“为什么有存在?”与“为什么有量子?”这两个问题就密不可分地联系在一起了

今天,我们在赞美标准模型的同时,也认识到它的局限性,并希望能超越它。标准模型最明显的缺陷在于,它没有包含暗物质暗能量。暗物质和暗能量是在惠勒生命的最后几十年里被识别出的不可见的宇宙组分,但至今尚未被探测到。暗物质是隐藏的“胶”,让星系保持完整并聚集成团。20世纪六七十年代,薇拉·鲁宾肯特·福特一起在华盛顿卡内基研究所进行星系自转研究,论证了这种缺失物质对星系的必要性。进一步的天文学观测也证实了暗物质存在于整个宇宙当中,但我们至今还不知道它的“真面目”。

暗能量是另一个重大的科学之谜,它是加速宇宙膨胀的未知推进剂。20世纪90年代末,两个研究团队都发现,自大爆炸以来,宇宙不仅一直在膨胀,而且膨胀速度不断加快。没有人知道到底让宇宙以越来越快的速度膨胀的东西是什么,科学家也不确定宇宙膨胀的速度会进一步加快、减慢还是保持稳定。

寻找暗物质和暗能量的可能组分的工作正在进行中,如果研究者确认了这些成分,他们可能就需要对标准模型做出修正,将这些新组分纳入其中。物理学家弗兰克·维尔切克提出,暗物质可能包含“轴子”,这种假想粒子可以解释为什么强相互作用具有CP不变性(而弱相互作用则不然)。暗物质也可能包含普通粒子的超对称伙伴,超弦理论在低能极限下会衍生出一种标准模型的修正理论,预言了普通粒子的超对称伙伴的存在。关于暗能量的本质,物理学家就更摸不着头脑了,目前几乎没有可靠的线索。

当代物理学领域还有一个谜题是,为什么引力与其他三种自然力的差别如此巨大,这个问题从费曼、惠勒和德威特时代开始就一直困扰着众多物理学家。为什么它比其他相互作用弱得多?如何用量子场论的方法以数学上一致的方式描述它呢?

今天,在统一包括引力在内的所有自然力的理论中,呼声最高的是M理论,它是超弦理论的一个推广版本,包含振动的能量膜,以及各种弦结构(超对称的和不是超对称的)。M理论的基本组分不是点粒子,而是普朗克长度大小的弦和膜,以多种模式相互作用。只在有10个维度或者11个维度的空间中,它们才能在数学上具有一致性,其中至少有6个维度会被卷曲成类似卷饼的形状,叫作“卡拉比–丘流形”。理论物理学家对费曼图进行了修正,以便将这类高维空间中的物体及其可能的相互作用纳入其中。

M理论最大的问题在于,针对它的不同组分的性质和卡拉比–丘流形的空间配置方式,它给出了令人震惊的可能性范围。据估计,卡拉比–丘流形约有10500种可能性:这个迷宫的复杂程度令人抓狂。要把M理论的“景观”缩减到只包含现实的程度,这无疑是一个令人畏惧的过程,并且必须有极其强大的筛选规则。斯坦福大学的物理学家伦纳德·萨斯坎德提出,可以用人择原理来实现这一目的,但其他人则怀疑人择原理并不足以排除如此海量的可能性。

一个相关的推测性概念是“多重宇宙”,即多个宇宙的集合。多重宇宙存在于物理空间中,虽然处于我们无法到达的区域。多重宇宙的概念在20世纪80年代兴起,那时物理学家安德烈·林德提出了“混沌暴胀”的概念。混沌暴胀理论认为,宇宙一开始是“标量场”中的随机量子涨落的“温床”。特别有利的涨落产生了“气泡宇宙”的种子,它们经历了一个很短的超速膨胀时期,叫作暴胀期。空间被极其快速地拉伸,有助于消除温差,这与宇宙微波背景辐射的大尺度均匀性相一致。

多重宇宙的观念带来了许多怪诞的可能性。另一个气泡宇宙可能会随机产生一颗与地球几乎一样的行星,除了一些细小的差异。注意,并不是只有在多重气泡宇宙的图景中才能产生与地球完全相同或相似的行星。一个无穷大的单一宇宙也可以做到这一点。宇宙中的行星越多,地球的发展历程发生在别处的概率就越大。

现在,我们的蜿蜒曲折的时空之旅也要结束了。在整个旅程当中,我们见到了数不胜数的“疯狂想法”,让人无法想象,一直以来,我们通过一条令人心安的指导原则来保持头脑清醒:正如对历史求和的方法告诉我们的那样,无论我们穿过时空的路径有多么奇怪,总会存在许多其他更怪异的路径。

图片设计:岳岳

素材来源:Wikicommons/Pixabay/《量子迷宫》
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