費曼、惠勒和量子物理學史話 - VITO雜誌

約翰·惠勒驚歎於費曼的對歷史求和方法，能如此優美地從所有量子可能性中，提取出一個確定的 ... 如何用量子場論的方法以數學上一致的方式描述它呢？ 週期性時間與線性時間自古以來就形成了鮮明的對比。

今天，我們在日常生活中又遇見了看待時間的第三種方式，即把它視為一座充滿無數可能性的迷宮。

在這個資訊時代，得益於網際網路和超文字，我們發現自己置身於充斥著無限複雜性的迷宮之中。

有著迷宮般結構的網際網路，是科學趨向平行性而遠離週期性和線性的標誌。

網際網路的基本理念是，沒有什麼東西註定要沿著環形、直線或曲線軌跡運動。

相反，對系統的各個組分而言，自然狀態就是以各種可能的方式相互作用，選擇很多。

能限制這些相互作用的只有守恆律和其他物理學定律，比如電荷守恆。

有時候，實驗證據會促使我們修正這些定律，重新思考如何設置新的限制。

最終，引導忒修斯走出迷宮的阿里阿德涅線團出現了：一個組織原理。

這種選擇機制揭示出穿過可能性世界的最佳路徑。

有時候，比如在經典物理學中，最佳路徑是物體確定採取的路徑，而在量子物理學中，最佳路徑決定了可能性概率分佈的峰值。

理查德·費曼很早就意識到，這一切的原型是光學。

簡單來說，我們想象光沿直線傳播，遇到鏡子會發生反射，穿過透鏡會發生彎折，因為總是緊緊地集中成細細的一束。

但除非是極窄的鐳射束，否則光的運動並非我們想象的那樣。

費馬最短時間原理讓費曼意識到，總的來說，光的這種行為只構成了我們看不見的大量波的干涉圖樣的波峰。

作為一條組織原理，最短時間原理為空間中的光波「大雜燴」帶來了秩序，產生了光線。

在基本粒子領域，費曼也出色地運用了這個概念：在遵循守恆律和一條組織原理的前提下，從一座由各種相互作用組成的迷宮中提取出秩序。

他在伊莎蘭學院的講座中描述了他的總體方法論：「我玩的遊戲非常有趣。

它是一種穿著緊身衣的想象，也就是說它必須符合已知的物理學定律。

」約翰·惠勒驚歎於費曼的對歷史求和方法，能如此優美地從所有量子可能性中，提取出一個確定的結果，它以前所未有的方式把量子物理學和經典物理學聯繫起來。

雖然粒子和場以物理學允許的所有方式相互作用，但對它們進行加權計算就產生了我們實際觀測到的現象。

惠勒對這個方法的倡導，啟發了布萊斯·德威特和查爾斯·米斯納等偉大的物理學家運用它去探索了可能的量子引力模型。

惠勒提出的關於量子測量的問題，也促使休·埃弗雷特提出多世界詮釋，即觀測者會隨著他們觀測的系統發生分裂，並進入不同的世界。

費曼圖描述了對歷史求和方法考慮的各種可能性，它已經成為當代理論物理學家的一種不可或缺的工具。

除了描述電磁相互作用，它也被延伸至弱相互作用和強相互作用領域，事實證明，在粒子物理學標準模型的發展過程中，費曼圖起到了重要作用。

標準模型全面描述了除引力之外的所有力和自然的已知物質組分，它是有史以來最成功的物理學解釋之一。

惠勒一生都渴望理解宇宙的最基本組分。

在他的職業生涯中，對於這個問題，他幾次改變觀點：一開始是粒子，然後是場和幾何結構，最後是資訊。

他也想了解組織原理是如何使這些基本組分形成可識別模式的。

將基於最小作用量原理的對歷史求和方法應用於量子物理學，是他的想法之一，但他也會考慮其他想法。

最終，惠勒確信答案一定跟「自激電路」有關，即有意識的觀測者和被觀測的東西（宇宙的過去）之間的一種共生關係。

透過回溯至過去，我們以某種方式從量子泡沫的眾多可能性中組建出我們的宇宙。

因此，在惠勒心中，「為什麼有存在？」與「為什麼有量子？」這兩個問題就密不可分地聯繫在一起了。

今天，我們在讚美標準模型的同時，也認識到它的侷限性，並希望能超越它。

標準模型最明顯的缺陷在於，它沒有包含暗物質和暗能量。

暗物質和暗能量是在惠勒生命的最後幾十年裡被識別出的不可見的宇宙組分，但至今尚未被探測到。

暗物質是隱藏的「膠」，讓星系保持完整並聚集成團。

20世紀六七十年代，薇拉·魯賓與肯特·福特一起在華盛頓卡內基研究所進行星系自轉研究，論證了這種缺失物質對星系的必要性。

進一步的天文學觀測也證實了暗物質存在於整個宇宙當中，但我們至今還不知道它的「真面目」。

暗能量是另一個重大的科學之謎，它是加速宇宙膨脹的未知推進劑。

20世紀90年代末，兩個研究團隊都發現，自大爆炸以來，宇宙不僅一直在膨脹，而且膨脹速度不斷加快。

沒有人知道到底讓宇宙以越來越快的速度膨脹的東西是什麼，科學家也不確定宇宙膨脹的速度會進一步加快、減慢還是保持穩定。

尋找暗物質和暗能量的可能組分的工作正在進行中，如果研究者確認了這些成分，他們可能就需要對標準模型做出修正，將這些新組分納入其中。

物理學家弗蘭克·維爾切克提出，暗物質可能包含「軸子」，這種假想粒子可以解釋為什麼強相互作用具有CP不變性（而弱相互作用則不然）。

暗物質也可能包含普通粒子的超對稱夥伴，超弦理論在低能極限下會衍生出一種標準模型的修正理論，預言了普通粒子的超對稱夥伴的存在。

關於暗能量的本質，物理學家就更摸不著頭腦了，目前幾乎沒有可靠的線索。

當代物理學領域還有一個謎題是，為什麼引力與其他三種自然力的差別如此巨大，這個問題從費曼、惠勒和德威特時代開始就一直困擾著眾多物理學家。

為什麼它比其他相互作用弱得多？如何用量子場論的方法以數學上一致的方式描述它呢？今天，在統一包括引力在內的所有自然力的理論中，呼聲最高的是M理論，它是超弦理論的一個推廣版本，包含振動的能量膜，以及各種弦結構（超對稱的和不是超對稱的）。

M理論的基本組分不是點粒子，而是普朗克長度大小的弦和膜，以多種模式相互作用。

只在有10個維度或者11個維度的空間中，它們才能在數學上具有一致性，其中至少有6個維度會被捲曲成類似捲餅的形狀，叫作「卡拉比–丘流形」。

理論物理學家對費曼圖進行了修正，以便將這類高維空間中的物體及其可能的相互作用納入其中。

M理論最大的問題在於，針對它的不同組分的性質和卡拉比–丘流形的空間配置方式，它給出了令人震驚的可能性範圍。

據估計，卡拉比–丘流形約有10500種可能性：這個迷宮的複雜程度令人抓狂。

要把M理論的「景觀」縮減到只包含現實的程度，這無疑是一個令人畏懼的過程，並且必須有極其強大的篩選規則。

史丹佛大學的物理學家倫納德·薩斯坎德提出，可以用人擇原理來實現這一目的，但其他人則懷疑人擇原理並不足以排除如此海量的可能性。

一個相關的推測性概念是「多重宇宙」，即多個宇宙的集合。

多重宇宙存在於物理空間中，雖然處於我們無法到達的區域。

多重宇宙的概念在20世紀80年代興起，那時物理學家安德烈·林德提出了「混沌暴脹」的概念。

混沌暴脹理論認為，宇宙一開始是「標量場」中的隨機量子漲落的「溫床」。

特別有利的漲落產生了「氣泡宇宙」的種子，它們經歷了一個很短的超速膨脹時期，叫作暴脹期。

空間被極其快速地拉伸，有助於消除溫差，這與宇宙微波背景輻射的大尺度均勻性相一致。

多重宇宙的觀念帶來了許多怪誕的可能性。

另一個氣泡宇宙可能會隨機產生一顆與地球幾乎一樣的行星，除了一些細小的差異。

注意，並不是只有在多重氣泡宇宙的圖景中才能產生與地球完全相同或相似的行星。

一個無窮大的單一宇宙也可以做到這一點。

宇宙中的行星越多，地球的發展歷程發生在別處的概率就越大。

現在，我們的蜿蜒曲折的時空之旅也要結束了。

在整個旅程當中，我們見到了數不勝數的「瘋狂想法」，讓人無法想象，一直以來，我們透過一條令人心安的指導原則來保持頭腦清醒：正如對歷史求和的方法告訴我們的那樣，無論我們穿過時空的路徑有多麼奇怪，總會存在許多其他更怪異的路徑。

圖片設計：嶽嶽素材來源：Wikicommons/Pixabay/《量子迷宮》封面圖片及正文摘編自《量子迷宮》（[美]保羅·哈爾彭/著，齊師傍/譯，中信出版·鸚鵡螺，2020年5月），經出版社授權使用。

作者簡介：保羅·哈爾彭費城科學大學物理教授，著有多部科普著作。

獲得過古根海姆獎、富布賴特科學獎學金計劃、雅典娜文學獎。

哈爾彭參加過很多廣播、電視節目，向多家媒體供稿。

內容簡介：本書講述了兩位傑出的物理學家費曼和惠勒從結識到取得重大科研突破，並最終成為一生摯友的故事。

透過師徒二人的共同努力，人們對時間和現實的認知得到了徹底的改變。

1939年，理查德·費曼作為一名出色的麻省理工學院研究生，來到了約翰·惠勒位於普林斯頓大學的辦公室，成為惠勒的教學助手。

兩人結成了一生的友誼，他們之間的合作碩果累累，但兩人的性格卻迥然不同。

惠勒講話柔聲細語，表面上是個保守的人，但他對宇宙的看法卻一點兒不保守，腦子裡充滿了大膽的想法。

愛熱鬧的費曼則對學術非常謹慎，他只相信已被證實的理論。

但他們兩個人的思維卻是互補的。

他們之間的合作使人們重新認識了時間和現實的本質。

費曼提出，量子現實其實是由一系列變化、矛盾的可能性組成，這啟發了惠勒發展出蟲洞理論，打開了連接未來和過去的通道，該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的認識。

兩個人的關係不像是傳統的老師和學生的關係，他們在這段關係中處於一個相對平衡的位置。

正是由於這樣的合作關係，使得他們在量子物理領域取得了重大進展。

由費曼提出、以惠勒命名的「歷史總和」概念解釋了量子物理的基本問題。

費曼和惠勒認為，要準確回答一個量子問題，就必須考慮所有的方面，現實就是所有方面的綜合。

兩位物理學家組成了一個完美的團隊。

費曼的計算能力非常出色，做事一絲不苟，小心謹慎。

惠勒提出的觀點則非常大膽，充滿想象力。

兩個人合作將奇怪的假設發展成實用的解決方法。

在惠勒位於普林斯頓的辦公室，兩個人開始了持續一生的無畏探索。