量子物理学中的时间扭曲：未来如何可能影响到过去
2023-05-08 11:55:50
2022年，诺贝尔物理学奖授予了实验工作，表明量子世界必须打破我们关于宇宙如何运作的一些基本直觉。许多人看了这些实验后得出结论，它们挑战了"位置性"--遥远的物体需要一个物理中介来进行互动的直觉。而事实上，遥远的粒子之间的神秘联系将是解释这些实验结果的一种方式。
(相关资料图)
其他人则认为这些实验挑战了"现实主义"--关于我们的经验背后有一个客观的事态的直觉。毕竟，只有当我们的测量被认为对应于真实的东西时，这些实验才会难以解释。无论如何，许多物理学家同意被称为"死于实验"的局部现实主义。
但是，如果这两种直觉都能被拯救，而牺牲了第三种直觉呢？越来越多的专家认为，我们应该放弃现在的行动不能影响过去的事件这一假设。这个方案被称为"逆向因果关系"，它声称可以同时挽救局部性和现实主义。
因果关系
因果关系到底是什么？让我们从大家都知道的那句话开始：相关不是因果关系。有些相关关系是因果关系，但不是全部。这有什么区别呢？
考虑一下两个例子。(1) 在晴雨表指针和天气之间有一种相关性--这就是为什么我们通过观察晴雨表来了解天气。但是没有人认为晴雨表指针导致了天气的变化。(2) 喝浓咖啡与心率升高有关。在这里，说第一种情况导致第二种情况似乎是正确的。
不同的是，如果我们"摇动"晴雨表指针，我们不会改变天气。天气和气压计指针都是由第三种东西控制的，即大气压力--这就是为什么它们是相关的。当我们自己控制指针时，我们打破了与气压的联系，相关性也就消失了。
但是如果我们进行干预，改变某人的咖啡消费，我们通常也会改变他们的心率。因果关系是那些当我们改变其中一个变量时仍然保持的关系。
这些天来，寻找这些强有力的相关性的科学被称为"因果发现"。这是一个简单想法的大名：当我们摆动周围的事物时，找出其他变化。
在普通生活中，我们通常想当然地认为，摆动的效果会比摆动本身更晚显现出来。这是一个非常自然的假设，以至于我们没有注意到我们正在做这个假设。
但是科学方法中没有任何东西要求这种情况发生，而且在幻想小说中很容易被抛弃。同样，在一些宗教中，我们祈祷我们的亲人在昨天的沉船事故的幸存者中，例如。我们在想象，我们现在所做的事情可以影响到过去的事情。这就是追溯性。
量子追溯性
量子对位置性的威胁（遥远的物体需要一个物理中介来互动）源于北爱尔兰物理学家约翰-贝尔在20世纪60年代的一个论点。贝尔考虑了这样的实验：两个假设的物理学家，爱丽丝和鲍勃，各自从一个共同的源头接收粒子。每个人从几个测量设置中选择一个，然后记录一个测量结果。重复多次后，该实验产生了一个结果列表。
贝尔意识到，量子力学预言在这个数据中会有奇怪的相关性（现已证实）。它们似乎暗示，爱丽丝选择的环境对鲍勃的结果有微妙的"非局部"影响，反之亦然--尽管爱丽丝和鲍勃可能相隔数光年。据说贝尔的论点对爱因斯坦的狭义相对论构成了威胁，而狭义相对论是现代物理学的一个重要组成部分。
但这是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。逆因模型提出，爱丽丝和鲍勃的测量选择会影响回到源头的粒子。这可以解释奇怪的相关性，而不会破坏狭义相对论。
在最近的工作中，我们为奇怪的相关性提出了一个简单的机制--它涉及到一个熟悉的统计现象，叫做伯克森偏差。
现在有一个蓬勃发展的学者群体在研究量子溯源性。但对于更广泛领域的一些专家来说，它仍然是看不见的。它被混淆为一种叫做"超决定论"的不同观点。
超级决定论
超级决定论同意逆转性的观点，即测量选择和粒子的基本属性在某种程度上是相关的。
但超级决定论把它当作天气和气压计指针之间的相关性。它假设有一些神秘的第三种东西--"超级决定者"--控制和关联我们的选择和粒子，就像大气压力控制天气和气压计那样。
因此，超决定论否认测量选择是我们可以自由地随意摆动的东西，它们是预先决定的。自由的摆动会打破相关关系，就像在气压计的案例中一样。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，因为有东西在控制测量选择和粒子。
这些反对意见并不适用于追溯因果论。逆因论者以通常的自由、摇摆的方式进行科学因果发现。我们说，如果他们拒绝跟随证据的指引，那么否定追溯性的人就是忘记了科学方法。
证据
追溯性的证据是什么？批评者要求提供实验证据，但这很容易：相关实验刚刚获得诺贝尔奖。棘手的部分是证明追溯性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，我们和其他人都认为，追溯性使粒子的微观世界不关心过去和未来之间的区别这一事实更有意义。
但是，对追溯性最大的担心是有可能向过去发送信号，为时间旅行的悖论打开大门。但要制造悖论，在过去的影响必须被测量。如果我们年轻的祖母不能读懂我们的建议，避免与祖父结婚，意味着我们不会来存在，就没有悖论。而在量子的情况下，众所周知，我们永远不可能同时测量所有的东西。
不过，在设计具体的追溯模型方面还有很多工作要做，这些模型可以执行这一限制，即你不能同时测量所有的东西。因此，我们将以一个谨慎的结论结束。在这一阶段，逆向因果关系的风头正劲，所以要向着最大的目标前进：把局部性和现实主义从"实验的死亡"中拯救出来。
作者：
Huw Price，剑桥大学三一学院荣誉研究员
Ken Wharton，圣何塞州立大学物理学和天文学教授