量子世界的詭異性超乎想像，連因果關係都能完全顛覆

量子物理實驗挑戰了我們所熟知的因果邏輯，甚至會動搖「時間」的概念。

愛因斯坦在散步的時候，要穿過兩扇門。他先穿過一道綠門，然後穿過一道紅門。

或者他也可以先穿過紅門，再穿過綠門。兩種選擇，非此即彼。按照一般的思維，他通過這兩扇門時一定有先後次序，對吧？

但如果是在維也納大學菲利普·沃爾特的實驗室裡，如果愛因斯坦能夠乘著光子飛行的話，或許情況就沒那麼簡單了。

2015年的這一發現，讓科學家意識到，量子物理要比他們此前的理解更加匪夷所思。

沃爾特的實驗向「一件事導致了另一件事」的因果邏輯發起了挑戰，仿佛是物理學家攪亂了時間這個概念本身，讓時間向兩個方向流逝。

如果用日常的思維來理解，那這簡直就是胡扯。但在量子理論的數學體系中，因果關係上的模糊性是完全符合邏輯且自洽的。

研究人員還認為，利用人為製造的因果關係模糊的物理系統，我們便可以探索更加廣闊的物理領域。有人提出，非因果系統可以用於推動頗具潛力的量子計算的發展。

香港大學的量子理論學家朱利奧·奇裡貝拉說：「如果量子計算機能夠不受因果規律的限制，那麼它就有可能在解決某些問題時比經典計算機速度更快。」

更重要的是，理解量子力學的「因果結構」，理清事件之間是否存在先後順序，或許有助於我們接受量子理論、形成量子直覺。

目前，我們在理解量子物理的時候，總是把光子描述成一種既是波又是粒子的物質，總是認為事件被不確定性籠罩著，但這樣的語言還是十分拗口。

此外，由於因果律是關於物體之間如何通過時空產生相互作用的規律，這種新的視角或許能夠幫助我們邁向量子力學與廣義相對論的統一理論。

量子力學與廣義相對論是現代物理學的兩大基石，而兩者之間互不相容，這也構成當今物理學最大的挑戰之一。

混亂的時間

20世紀30年代，尼爾斯·玻爾和維爾納·海森堡將隨機性引入量子理論，而愛因斯坦多次對此提出質疑。自此，因果性就是一直量子力學中的一個關鍵問題。

玻爾與海森堡構建的量子力學哥本哈根詮釋堅持認為，量子測量，例如測量一個線偏振光子的偏振方向，其結果是隨機的，並且只在測量的瞬間才被決定下來，我們也完全無法解釋為何出現這個測量結果。

1935年，愛因斯坦和他的助手鮑裡斯·波多爾斯基、內森·羅森（根據其姓氏首字母，合稱EPR）提出了一個著名的思想實驗。他們利用玻爾對量子力學的解釋，推導出了一個貌似不可能的結論。

EPR的思想實驗中，A、B兩個粒子處於相互影響的狀態，也就是「糾纏態」。這裡我們用自旋來舉一個糾纏態的例子。

自旋是粒子的一種量子特性，你可以把它想像成一個小磁鐵，磁鐵的N極就是自旋所指的方向。

對於A、B兩個粒子，如果 A的自旋朝上，則B的自旋一定朝下，反過來如果 A的自旋朝下，則B的自旋一定朝上。

在這樣的糾纏態中，我們只有進行測量，才能夠確定兩個粒子究竟處於什麼樣的自旋狀態。根據哥本哈根詮釋，測量不僅僅讓我們獲知粒子的狀態，還會使得粒子「固定」在我們所測得的狀態。

而對於糾纏態的粒子，不論它們相距多遠，對A的測量在固定了A的狀態的同時，也固定了B的狀態，仿佛在測量的瞬間，A與B之間產生了某種相互作用。

愛因斯坦不能接受這種跨越遙遠距離而瞬間發生的相互作用（即「超距作用」），因為這意味著相互作用的傳遞速度超過光速，違背了狹義相對論。

愛因斯坦堅信，這一悖論源於哥本哈根解釋不夠完備。在測量之前，A、B粒子必定已經有了明確的狀態。

然而，隨著實驗手段的進步，科學家對糾纏態粒子進行實際測量後發現，粒子之間的關聯性無法用「粒子的狀態在測量前就已經確定」來解釋。

但同時這種關聯性又不違背狹義相對論，因為它並不能傳遞信息，不會導致信息超光速。那這種關聯是怎樣產生的呢？這確實很難用符合我們直覺的因果關係來解釋。

乍看上去，哥本哈根詮釋至少還保留有正常的時序邏輯：一次測量並不會影響到測量之前所發生的事件。

如果事件A要對事件B產生影響的話，那麼A一定要先於B而發生。然而，最近十年間，這個最基本的時序邏輯也開始動搖。

研究人員已經構想出了特定的量子情境，以至於我們無法判斷關聯事件中究竟是何者發生在前。

在經典物理中不可能有這樣的情境。就算我們不知道甲乙誰先發生，它們也必定有一個先發生，一個後發生。

而在量子物理中，不確定性不是由於我們沒有獲取足夠的信息；這是一種根本上的不確定性，在測量之前根本就不存在所謂的「實際狀態」。

模稜兩可的因果關係

到了2016年，沃爾特團隊設計了一種實驗方法，可以在光子經過兩個邏輯門的過程中對其進行測量，而又不會立即改變觀察者已知的信息。

具體做法，是讓光子自身攜帶這個測量結果，而不立即提取。

光子在經過整個光路後才會被探測器接收到，觀察者直到此時才能獲知光子攜帶的測量結果，因此無法利用光子攜帶的信息來推斷光子經過邏輯門的順序。

這就好比別人在旅行途中記錄自己的感受，等到旅行歸來再與你分享這些記錄，你是沒辦法根據這些信息來推測他具體是在何時何地記錄下這些文字的。

最終，沃爾特團隊證實，只要觀察者不知道具體的測量結果，那麼測量就不會破壞因果疊加態。沃爾特r說：「我們等到整個實驗過程進行完畢，才提取了途中測量的結果。

光子飛行途中，測量結果以及測量發生的時間都是未知的，但仍然對最終的結果產生了影響。還有一些研究組也在用量子光學的方法在實驗中研究因果關係的不確定性。

在加拿大，滑鐵盧大學和圓周理論物理研究所的研究團隊製造了一個可以操控光子狀態的量子線路，以此獲得了另一種因果混合狀態。

實驗中，光子先後通過A門、B門，但光子的狀態取決於兩種不同的因果邏輯的混合；

要麼是A門的作用決定了B門的作用，要麼是A、B兩門的作用共同由其他事件決定——這就好比，高溫天氣會增加曬傷病例，也會增加冰激凌的銷量，但曬傷與冰激凌之間並沒有直接的因果關係。

滑鐵盧大學的實驗結論與維也納大學的實驗結論一致：我們無法根據最終測得的光子狀態判斷先前事件之間的因果關係。

基於這些挑戰因果直覺的實驗，我們或許能夠開發出新的通信方式。光子作為一個信號，其經過兩個邏輯門的順序是疊加態，這可以視為兩者同時向對方發送信息。

簡單地講，這就是一種事半功倍的通信方式。也許，這當中還暗藏著信息處理的捷徑。

人類早已了解到，量子疊加態和糾纏態可以用來對某些特定的計算做指數級別的加速，但這裡涉及的都是經典的因果結構。

利用量子因果疊加態天然具備的雙向同步通信潛力，我們或許可以進一步提升量子信息處理的速度。當你有了一個顛覆性的理論時，就必須要有更加顛覆性的思維才能夠理解它。

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編輯：Zero