如果未來(lái)能影響過(guò)去

樸語(yǔ)林

如果你明天下午把自己的腿給摔斷了，你會(huì)不會(huì)突然發(fā)現(xiàn)今天早上走路必須得拄拐？很顯然不會(huì)，因?yàn)榻Y(jié)果總是發(fā)生在原因之后——你得先摔斷腿，然后才會(huì)想到去拄拐。但在微觀世界中，事情有時(shí)并不總是這樣，有時(shí)候，結(jié)果會(huì)發(fā)生在原因之前。換句話說(shuō)，未來(lái)有時(shí)可以影響過(guò)去。

這種違反人類常識(shí)的情況被稱為“逆因果”，雖然我們?cè)谌粘Ｉ钪袕膩?lái)沒(méi)有遭遇逆因果，但如果逆因果可在微觀世界中出現(xiàn)，那么這不僅能讓量子力學(xué)符合愛(ài)因斯坦的時(shí)空觀，還能解釋量子力學(xué)中固有的隨機(jī)性。

下面我們就來(lái)詳細(xì)地談一談。

鬼魅般的超距作用

要理解為何要把逆因果引用到量子力學(xué)中，我們要把目光放到20世紀(jì)30年代。那時(shí)，古怪的量子力學(xué)正挑戰(zhàn)人們傳統(tǒng)的物理學(xué)認(rèn)知。這一理論認(rèn)為微觀粒子的狀態(tài)是不確定的，直到它們被測(cè)量時(shí)，它們才會(huì)隨機(jī)地進(jìn)入某一個(gè)確定的狀態(tài)。愛(ài)因斯坦卻不喜歡這個(gè)觀點(diǎn)，并表示“上帝不擲骰子”。

盡管愛(ài)因斯坦厭惡不確定性，但微觀世界中的另一個(gè)不可思議的現(xiàn)象卻是由他首先發(fā)現(xiàn)的。在一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)中，愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，如果量子力學(xué)所描述的不確定性是正確的，那么量子力學(xué)可以推導(dǎo)出一個(gè)結(jié)論：兩個(gè)粒子經(jīng)過(guò)短暫的相互作用之后，測(cè)量其中一個(gè)粒子的狀態(tài)會(huì)不可避免地瞬間影響到另一個(gè)粒子的狀態(tài)，而不管它們之間相隔有多遠(yuǎn)。這種現(xiàn)象在后來(lái)被稱為量子糾纏。

比如，假設(shè)兩個(gè)粒子相撞后，朝彼此相反方向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)量子力學(xué)的法則，這些粒子現(xiàn)在是糾纏在一起的。它們的速度是不確定的，是未知的，但如果你測(cè)量其中一個(gè)粒子的速度，你會(huì)使這個(gè)粒子的狀態(tài)變?yōu)榇_定的，這會(huì)瞬間影響到另一個(gè)粒子，使其狀態(tài)也變?yōu)榇_定的。即使這兩個(gè)粒子相隔數(shù)萬(wàn)光年，情況也是如此。

然而，根據(jù)愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論，遠(yuǎn)距離粒子之間的瞬間影響是不可能的，狹義相對(duì)論已經(jīng)對(duì)信號(hào)在物體之間傳遞的速度設(shè)定了限制——不可超過(guò)光速。

愛(ài)因斯坦認(rèn)為，所有物理理論，包括他的狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論，都必須服從信號(hào)速度不可超過(guò)光速這一原則。這一原則通常被稱為局域性原理。因此，他將量子糾纏說(shuō)成是“鬼魅般的超距作用”。他認(rèn)為，真實(shí)的情況是不存在什么超距作用，這些粒子一直都有一個(gè)確定的速度，只不過(guò)量子力學(xué)還沒(méi)能力確切地描述它們。愛(ài)因斯坦相信，會(huì)有一個(gè)更為基本的理論浮現(xiàn)出來(lái)，取代當(dāng)前的量子力學(xué)。

消滅鬼魅般的超距作用

然而，多年來(lái)許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)了量子力學(xué)這個(gè)違反直覺(jué)的預(yù)言是正確的，而且還證明它的確不遵循局域性原理。不管你喜不喜歡，鬼魅般的超距作用在現(xiàn)實(shí)中的確存在。

事情果真如此嗎？一些物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，逆因果可以讓量子糾纏遵循局域性原理。這一觀點(diǎn)可以追溯到20世紀(jì)40年代末。

當(dāng)時(shí)，法國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W利維爾·科斯塔·德·博阿德發(fā)現(xiàn)了一種解釋量子糾纏的方法，同時(shí)又避免違反局域性原理。他建議，對(duì)于兩個(gè)互相糾纏的粒子，測(cè)量一個(gè)粒子時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)會(huì)逆著時(shí)間傳回到過(guò)去兩個(gè)粒子相撞的時(shí)刻，然后，這個(gè)信號(hào)就可以順著時(shí)間與另一個(gè)粒子一起向前運(yùn)動(dòng)，直到前一個(gè)粒子被測(cè)量時(shí)，信號(hào)可立刻傳給另一個(gè)粒子，確保這兩個(gè)粒子的狀態(tài)同時(shí)發(fā)生變化。由于信號(hào)是逆著時(shí)間傳過(guò)去，又順著時(shí)間回到現(xiàn)在，所以我們感覺(jué)是瞬間發(fā)生的。

如果信號(hào)真的可以先逆著時(shí)間去影響過(guò)去，然后再順著時(shí)間去影響另一個(gè)粒子，那么所謂的瞬間影響或超距作用就不存在了，而且根本不違背局域性原理。

此外，逆因果也許還能解釋量子力學(xué)中的隨機(jī)性。在包含逆因果的量子力學(xué)中，現(xiàn)在發(fā)生的事情可能會(huì)受到過(guò)去的事情以及未來(lái)的事情的影響。很顯然，我們無(wú)法提前知曉會(huì)有哪些未來(lái)的事情帶來(lái)了影響，從而也無(wú)法完全確定該事情會(huì)如何進(jìn)行，使得我們認(rèn)為事情是一個(gè)隨機(jī)事件。但如果我們能看到宇宙的整個(gè)歷史的話，我們就能知道事情發(fā)生的脈絡(luò)，并會(huì)發(fā)現(xiàn)隨機(jī)事件并不是真正的隨機(jī)。

如果是這樣的話，那么愛(ài)因斯坦說(shuō)的是對(duì)的。上帝的確不擲骰子，事實(shí)上，上帝是在玩數(shù)獨(dú)。一個(gè)人在玩數(shù)獨(dú)時(shí)，需要在格子里填寫(xiě)數(shù)字，如果你只觀測(cè)某一個(gè)格子的話，你會(huì)覺(jué)得填下的數(shù)字像是隨機(jī)數(shù)。但如果你把玩數(shù)獨(dú)的整個(gè)過(guò)程都看下來(lái)，那么你會(huì)發(fā)現(xiàn)每個(gè)格子里填寫(xiě)的數(shù)并不是隨機(jī)的，而是一個(gè)特定且唯一的數(shù)。

總之，量子力學(xué)的隨機(jī)性并不是真正的隨機(jī)，而是源于我們無(wú)法掌握宇宙整個(gè)歷史。

逆因果與時(shí)間反演

但是，這個(gè)觀點(diǎn)一直被人們所忽視。主要原因是逆因果似乎很荒謬，它與日常經(jīng)驗(yàn)相沖突，而且逆因果并不比量子糾纏更令人難以接受。但是，如果你考慮時(shí)間反演對(duì)稱性的話，事情就會(huì)變得更加合理起來(lái)。

時(shí)間反演對(duì)稱可以這么理解：把一個(gè)物理過(guò)程用攝像機(jī)拍下來(lái)，然后把膠卷倒過(guò)來(lái)放映，假如描述這個(gè)過(guò)程的物理定律與順?lè)艜r(shí)是一樣的，那么該物理定律就具有時(shí)間反演對(duì)稱性。這也意味著，單憑這個(gè)物理定律無(wú)法判斷時(shí)間方向。

通常，宏觀世界并不存在時(shí)間反演對(duì)稱性。比如你打碎了一枚雞蛋，時(shí)間倒轉(zhuǎn)的話，那么就是被打碎的雞蛋復(fù)原，但這是不可能發(fā)生的，因?yàn)樗`反了熱力學(xué)第二定律。熱力學(xué)第二定律是，熵——系統(tǒng)的混亂程度——總是隨著時(shí)間的推移而增加的。

但熱力學(xué)第二定律僅適用于粒子很多的宏觀系統(tǒng)，物理學(xué)家認(rèn)為，那些研究少量粒子系統(tǒng)的基礎(chǔ)物理定律，包括量子力學(xué)，幾乎都是遵循時(shí)間反演對(duì)稱性的。

那么，只要量子力學(xué)完全遵循時(shí)間反演對(duì)稱性，結(jié)果先于原因這樣的事情，仍可以用當(dāng)前的量子力學(xué)來(lái)解釋，這使得逆因果變?yōu)橐患侠淼氖虑椤?/p>

逆因果與塊狀宇宙

此外，一個(gè)被稱為“塊狀宇宙”的理論也可以讓逆因果變得更加合理。

我們通常認(rèn)為，如果事情成為了過(guò)去，比如第二次世界大戰(zhàn)，那么它們就永遠(yuǎn)消失了。而未來(lái)的事情，比如人類登上火星等，還沒(méi)有發(fā)生，所以它們也不存在。也就是說(shuō)，我們所認(rèn)為的宇宙，只包含此時(shí)此刻所發(fā)生的所有事情。但塊狀宇宙理論認(rèn)為這是不正確的，宇宙其實(shí)包含了在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)發(fā)生過(guò)的所有事情。從這個(gè)觀點(diǎn)來(lái)看，過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)都一直存在，而且同樣真實(shí)，都在宇宙的某個(gè)地方。

塊狀宇宙有四個(gè)維度，三個(gè)空間維度（長(zhǎng)、寬、高）加上第四個(gè)時(shí)間維度。為了便于理解，讓我們簡(jiǎn)化一下，把我們世界的模型想象成一個(gè)三維的長(zhǎng)方體。長(zhǎng)方體的兩個(gè)維度（長(zhǎng)和高）代表了宇宙的三個(gè)空間維度中的兩個(gè)。

圖中的第三個(gè)空間維度被省略了，而長(zhǎng)方體的寬度代表時(shí)間。長(zhǎng)方體寬度的一端是宇宙大爆炸，另一端是宇宙的最后一刻。長(zhǎng)方體內(nèi)包含了所有發(fā)生過(guò)的事件，這些事件在長(zhǎng)方體中的位置表示它們?cè)跁r(shí)空中的位置。所有的事情，包括你的出生和死亡，你讀這段文字的那一時(shí)刻，以及第二次世界大戰(zhàn)、人類登上火星，都存在于這個(gè)長(zhǎng)方體內(nèi)的某個(gè)地方。

如果宇宙只包含此次此刻所發(fā)生的所有事情，那么未來(lái)很顯然沒(méi)辦法影響過(guò)去，因?yàn)檫^(guò)去的事情不存在了。但如果過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)都一直存在，那么這就給了逆因果的發(fā)生提供了先決條件。一些物理學(xué)家認(rèn)為，我們現(xiàn)在需要的是把當(dāng)前的量子力學(xué)與塊狀宇宙理論結(jié)合起來(lái)，那么再加上時(shí)間反演對(duì)稱性，出現(xiàn)逆因果會(huì)是一件自然而然的事情。

所以，只要你認(rèn)真地思考這個(gè)問(wèn)題，就會(huì)發(fā)現(xiàn)逆因果并不比量子糾纏更瘋狂。而且，逆因果還能解決一些量子力學(xué)中的大難題。最近，一些物理學(xué)家就開(kāi)始嘗試把逆因果引入量子糾纏中。當(dāng)然，該理論還很粗糙，需要進(jìn)一步完善，而且并不是所有物理學(xué)家都贊同這一理論。那么，這項(xiàng)理論研究是否能引發(fā)了物理界的變革？讓我們拭目以待。