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来源：中科院半导体所收集编辑：原理
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）和安东·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。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。
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的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）。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？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。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）https://theconversation.com/quantum-mechanics-how-the-future-might-influence-the-past-199426本文经授权转载自微信公众号「原理」（ID：principia1687）
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