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未来如何影响过去

admin 2023-03-21 18:00:39 人看过 字号:[ ]
   文章来源:原理
   作者:Price & Wharton

2022年,诺贝尔物理学奖被授予了著名的量子物理学实验研究。三位得主阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)约翰·克劳泽(John Clauser)安东·塞林格(Anton Zeilinger)各自利用纠缠量子态进行了开创性的实验,并为基于量子信息的新技术奠定了基础。

这些量子实验的研究结果表明,量子世界违背了我们关于宇宙如何运作的一些基本直觉。比如许多人认为它挑战了“定域性”,即相距遥远的物体间需要一种物理介质来进行相互作用的直觉。而事实上,遥远的粒子之间的一种神秘联系可以是解释这些实验结果的。

还有一些人认为,这些实验实则挑战了“实在论”,即我们的经验背后都存在一种客观事态的直觉。毕竟,只有在认为所有的测量都应该对应于真实的事物时,这些实验才难以解释。

无论如何,许多物理学家同意定域实在论“死于实验”的说法。但是,如果这两种直觉都能被拯救,只是代价是要牺牲掉“第三种直觉”呢?越来越多专家认为,我们应该放弃认为“现在的行动不会影响过去的事件”这种假设。这种主张被称为“逆向因果”,它被认为可以同时拯救定域性和实在论。


  因果是什么? 

因果到底是什么?我们可以从人人都知道的那句话开始:相关不等于因果有些相关是因果,但不是所有相关都是因果

这其中的区别是什么?

让我们来看看这样两个例子。第一个例子是,气压表的指针和天气之间存在一种相关性,这就是为什么我们可以通过看气压表来了解天气。但是没人会认为是气压表指针导致了天气的变化。第二个例子是,心率升高与喝浓咖啡有关,在这种情况下,说喝浓咖啡导致了心率升高似乎就没错了。

对第一个例子来说,假如我们“摆弄”气压表的指针,天气并不会因此改变。天气和气压表指针都是由第三种东西控制的,也就是大气压强。这就是为什么它们是相关的。但当我们自己控制指针时,就打破了它与气压的联系,使得它们之间的相关性也随之消失。但在第二个例子中,如果我们干预一个人摄入的咖啡量,那么通常也能改变他的心率。

这便是这两个例子的不同。由此可见,因果关系,指的是当我们改变其中一个变量时,仍然能保持下来的关系

现在,寻找这种稳健关联的科学被称为“因果发现”。这其实是在给一种简单的概念安上一个宏大的名字。直白地说,它寻找的是当一些事物被“摆弄”(改变)时,还有什么事物也会因此发生变化

在日常生活中,我们通常想当然地认为,“摆弄”导致的效应,应该比“摆弄”行为本身更晚显现。这是一种非常自然的假设,以至于我们可能都没有注意到,我们其实做了这个假设。

但是科学方法中其实没有任何东西要求这种情况发生,这一点在幻想小说中很容易被摒弃。我们会想象,现在所做的事情可以影响过去的事情。这就是逆向因果。


  量子逆向因果  

量子物理学对定域性的威胁源于物理学家约翰·贝尔(John Bell)在20世纪60年代的一个论点。在贝尔设想的实验中,两位物理学家Alice和Bob,各自从一个共同的来源接收粒子。他们每人都从几种测量设置中选择一种,然后记录下测量结果。重复多次后,这项实验便产生了一系列数据结果。


未来如何影响过去(图1)


量子力学中的纠缠对可以比作一台机器,它向着相反方向抛出反色的球。当Bob抓到一颗球,并看到它是黑色的时,他就立刻知道Alice抓到了一颗白色的球。在一种使用隐变量的理论中,这些球总会包含着关于颜色的隐藏信息。但是,量子力学认为,这些球都是灰色的,直到有人看到它们时,其中一颗会随机变成白色,另外一颗则变成黑色。贝尔不等式表明,有一些实验能够区分这些情况。这类实验已经证明了,量子力学的描述才是正确的。

贝尔意识到,即便Alice和Bob可能相隔数光年之远,Alice的选择对Bob的结果有着微妙的“非定域性”影响,反之亦然。

据说,贝尔的这种奇怪的相关性对爱因斯坦狭义相对论构成了威胁,因为贝尔假设,量子粒子不知道它们在未来会遇到什么测量。

逆向因果模型可以在不打破狭义相对论的情况下,解释奇怪的相关性。这类模型提出,Alice和Bob的测量选择会影响源中的粒子。在近期的研究中,科学家为追踪这种奇怪的相关性,提出了一个简单的机制,它涉及一个我们熟悉的统计现象,伯克森偏倚(Berkson's bias)


  超决定论  

现在,越来越多的学者正在研究量子逆向因果。但一些更广泛领域的专家,常常将它与“超决定论”混淆。

超决定论和逆向因果都认同,测量选择和粒子的基本属性在某种程度上是相关的。

但超决定论把它当作是天气和气压计指针之间的那种相关性。它假设,存在一些神秘的第三种东西,也就是所谓的“超决定者”,控制并关联着我们的选择和粒子,就像大气压强控制天气和气压计那样。

因此,超决定论不认为测量选择是可以由我们的自由意志随意摆弄的东西,而是预先就决定了的。自由、随意的摆弄会打破相关关系,就像气压计的例子一样。

批评者反对说,超决定论因此削弱了进行科学实验所需的核心假设。他们还说,这意味着否认自由意志,因为测量选择和粒子本身都被某种东西控制着。

这些反对意见并不适用于逆向因果。逆向因果论者是以普通的、自由的摆弄方式,进行科学的因果发现。


  逆向因果的证据是什么? 

逆向因果的证据是什么?批评者要求提供实验证据,但这并不难,相关实验刚刚获得诺贝尔奖。棘手的部分是证明逆向因果是对这些结果的最佳解释。

我们已经提到有可能消除对爱因斯坦狭义相对论的威胁。在我们看来,这是一个相当大的暗示,令人惊讶的是,我们花了这么长时间来探索它。与超决定论的混淆似乎主要归咎于此。

此外,逆向因果的科学家都认为,逆向因果会让“粒子的微观世界不关心过去和未来之间的差别”这则事实更说得通。

我们并不是说这一切都在一帆风顺地进行。对逆向因果最大的担心是向过去发送信号的可能性,这会打开时间旅行悖论的大门。但要制造悖论,在过去的影响就必须被测量。简单来说,如果我们祖母年轻时读不懂那一则我们不想让她和祖父结婚的建议,就不会出现悖论。在量子的例子中,众所周知,我们永远不可能同时测量所有东西。

不过,在设计具体的逆向因果的模型方面还有很多工作要做,让这些模型可以限制不能同时测量所有东西的规则。最后,我们可以谨慎而保守地认为,在这一阶段,逆向因果正风头正劲,它在朝着将定域性和实在论从“实验死亡”中拯救出来这一最大目标前进。

#创作团队:
原文作者:Huw Price(剑桥大学三一学院荣休院士)
Ken Wharton(圣何塞州立大学物理学与天文学教授)
编译:Gaviota
排版:雯雯
#参考来源:
https://theconversation.com/quantum-mechanics-how-the-future-might-influence-the-past-199426
诺奖|新量子时代!
#图片来源:
封面图:Hippopx
首图:NASA

本文经授权转载自微信公众号「原理」(ID:principia1687)


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