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命运的量子力学

时间旅行如何解释科学中一些最大的谜团。

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T型他只是客观世界,它没有发生1949年,数学家和物理学家赫尔曼·韦尔(Hermann Weyl)写道。从他的观点来看,宇宙在时间上的布局与在空间上的布局一样确定。时间不会流逝,过去和未来与现在一样真实。如果你的常识反对这个观点,那可能只有一个原因:因果之箭。过去的事件导致现在的事件,而现在的事件导致未来的事件。如果时间真的像空间一样,那么来自未来的事件不应该也影响现在和过去吗?

他们实际上可能会。约翰·惠勒、理查德·费曼、丹尼斯·西亚马和亚基尔·阿哈罗诺夫等著名物理学家推测,因果关系是一支双头箭,未来可能影响过去。今天,这一立场的主要倡导者是Huw Price,他是剑桥大学的哲学家,专门研究时间物理学。普莱斯说:“对这个问题的回答是肯定的,‘世界会这样吗,我们对过去的控制是有限的’。”此外,普莱斯和其他人认为,这种控制的证据已经摆在我们面前半个多世纪了。

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他们说,这些证据被称为纠缠,这是量子力学的一个特征。“纠缠”一词与浪漫纠缠有着相同的含义:一种特殊的、潜在的麻烦关系。在实验室生产时,缠结的粒子开始非常接近。然后,当他们分开时,他们就像一对魔术骰子。你可以在拉斯维加斯“掷”一个骰子(或在其上进行测量),你的朋友可以在新泽西州的大西洋城掷另一个骰,每个骰子都会随机落在一边。但无论这两方是什么,他们都会有一种一致的关系:例如,他们可能是相同的,也可能总是有一点不同。如果你曾经看到过这种情况,你可能会认为骰子在掷骰子之前就已经被加载或修复了。但没有一个歪曲的骰子会这样做。毕竟,大西洋城之死改变了它的行为,这取决于拉斯维加斯之死发生了什么,反之亦然,即使你在同一时刻掷骰子。

因果关系是一个双向箭头,未来可能影响过去。

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纠缠的标准解释是,两个粒子之间发生某种即时通讯。他们之间的任何通信都必须在瞬间穿越中间的距离,也就是说,以无限快的速度进行。这显然比光速快,而相对论禁止这种通讯速度。根据爱因斯坦的说法,任何事情都不应该做到这一点,这使他认为一定有一些新的物理学正在运作,超出了量子力学本身的范围。

假设粒子(或骰子)之间不是即时通信的情况,它们的值也不是预先固定的。似乎没有其他选择了。但在这里,普莱斯要求我们考虑一下不可能的情况:对两个纠缠粒子中的任何一个做一些事情都会产生影响,这些影响会在时间上倒退到过去两个粒子紧密接触并强烈相互作用的时候。在这一点上,来自未来的信息被交换,每个粒子都会改变其伙伴的行为,然后这些影响再次延续到未来。不需要瞬时通信,也不违反相对论。

乍一看,这种对纠缠的解释取代了一种麻烦的行为——跨越任意距离的瞬时通信——另一种信息在时间上倒退。但是,我们真的应该被未来的信息传播到过去的想法所困扰吗?毕竟,从数学上讲,时间中的纠缠与空间中的纠缠是相同的,我们对信息在空间中向各个方向传播并不感到不安。

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要想思考这个问题,考虑一下最平淡的物体:冰棒棒。棍子会弯曲或弯曲,这取决于你对两端施加的压力。现在想象一根冰棍,它的两端是在时间上分开的,而不是在空间上分开的。同样的逻辑也应该适用:棍子中间的情况取决于两端的情况。对于纠缠粒子,端点恰好在时间上。一端是它们在实验室中被创造出来的那一刻,另一端是它们相隔很远并进行测量的那一时刻。他们在某个中间时间的行为取决于过去和未来的信息流。

与量子力学中的许多其他概念一样,这种追溯因果关系的概念在范围上是有限的。只有在某些情况下,我们才能看到未来影响着过去。虽然单个粒子过程可以在时间上向后或向前移动,但整个宇宙都是向前倾斜的,因为它过去的端点高度有序,而它未来的端点高度无序。我们的死亡是微观上的这种不对称。

我们对时间流逝以及自由意志的感受也是如此。我们有一种感觉,过去是固定的,因为我们有它的记录,宇宙从高度有序的起源滑向混乱的未来。我们没有这样的未来记录。事实上,你可以把未来定义为“我们不知道的”。我们不知道未来的许多事情之一是我们自己将在其中做什么。我们只有在生活中才能获得这种知识。我们的决定可能是预先注定的,但我们仍然需要经历这些步骤,这就是我们意志的意义所在。

但在量子层面上,时间变得模糊了。海森堡测不准原理使我们对某些过去事件的了解与对未来事件的了解一样少。从深层次上讲,这些事件对我们来说并不是真正的“过去”,因为我们不知道发生了什么——它们存在于开放的“未来”中。因此,我们始终希望能够影响那些过去的事件。量子力学重新划定了无知与知识之间的界线,因此也划定了未来与过去之间的界线。

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我们真的应该被未来的信息传播到过去的想法所困扰吗?

但是,如果宇宙要避免在一个巨大的逻辑悖论中内爆,我们对过去的控制是非常有限的。量子力学的建立就是为了否认这种影响。它在时间的河流中制造了一个漩涡,但只是一个小小的漩涡。

反因果怀疑论者抱怨说,并不是说反因果关系很奇怪-全部的解释纠缠的各种选择是,但支持者尚未将他们的想法充实为一个成熟的理论。牛津大学哲学家大卫·华莱士(David Wallace)表示:“你不能只接受量子力学的现状,然后说‘我会追溯解释它’。”。“你需要找到一个追溯因果的、经验主义上等效的量子力学替代品。但这还没有实现。”

支持者接受了这种批评。周界研究所(Perimeter Institute)的物理学家马特·莱弗(Matt Leifer)表示:“我们中那些想调查追溯因果关系的人必须想出好办法。”。“事实上,并不是每个人现在都认真对待它,我认为他们不认真对待它是正确的。”华盛顿大学物理学家约翰·克雷默开发的所谓交易解释是最发达的回溯因果模型之一。根据克拉默的说法,每一个事件都会发出一个在时间上向前和向后传播的波,将粒子的测量与其早期的准备工作联系起来,但在时空中的其他位置会相互抵消。但华莱士说,即使是这幅图,也只是“想法的草图”。目前还没有完整的追溯因果关系模型。

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但即使回溯因果关系不存在,它也激发了人们对量子物理学的新思考。例如,它曾经是一篇信条,认为没有粒子可以在不干扰它的情况下进行测量,但在研究类似于克莱默的追溯因果模型时,亚基尔·阿哈罗诺夫和他的同事提出了一种“弱测量”技术他们意识到,你可以轻而易举地探测一个量子系统,以至于探测的效果会在系统固有的不确定性中消失,但你仍然可以通过反复试验筛选出有用的信息。阿哈罗诺夫和他的同事在实验中使用了这项技术,他们说这项技术提供了追溯因果关系的证据,但你不需要购买追溯因果关系来使用这项技术。

其他研究人员正在使用追溯因果关系来解释现有的结果。例如,普莱斯的合作者、圣何塞州立大学的理论物理学家肯·沃顿(Ken Wharton)认为,追溯因果关系是理解受挫自发辐射过程的自然方式。正常发光的原子在周围环境无法吸收光线时将停止发光。因此,一个事件(排放)取决于未来发生或不发生的事情(吸收)。沃顿说:“这是一个粒子探测未来并观察未来的例子,然后根据它做出决定,而不是衰减。”。“在因果模型中很难理解。”

追溯因果模型迫使物理学家重新考虑长期以来的禁忌。在为当今的未来事件提供角色时,它加入了一条延伸至柏拉图和亚里士多德的思路。他们认为,自然和人类一样,是围绕最终目的和目标组织起来的。正如面包师的目的是烘焙,雨滴的目的是降落,种子的目的是长成树。当牛顿和他的同时代人证明,你可以只利用当前的情况来预测自然物体的未来时,这些所谓的目的论方法就脱离了科学主流。未来没有明确的作用,也没有明确的需求。有了追溯因果关系,物理学可能会迫使一个非常古老的想法回到对话中。

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乔治·穆瑟是物理学和宇宙学作家弦论完全白痴指南。他是科学美国人14年来,获得了美国物理学会科学写作奖等荣誉。

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