如果未來能影響過去

樸語林

如果你明天下午把自己的腿給摔斷了，你會不會突然發現今天早上走路必須得拄拐？很顯然不會，因為結果總是發生在原因之后——你得先摔斷腿，然后才會想到去拄拐。但在微觀世界中，事情有時并不總是這樣，有時候，結果會發生在原因之前。換句話說，未來有時可以影響過去。

這種違反人類常識的情況被稱為“逆因果”，雖然我們在日常生活中從來沒有遭遇逆因果，但如果逆因果可在微觀世界中出現，那么這不僅能讓量子力學符合愛因斯坦的時空觀，還能解釋量子力學中固有的隨機性。

下面我們就來詳細地談一談。

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中，我們要把目光放到20世紀30年代。那時，古怪的量子力學正挑戰人們傳統的物理學認知。這一理論認為微觀粒子的狀態是不確定的，直到它們被測量時，它們才會隨機地進入某一個確定的狀態。愛因斯坦卻不喜歡這個觀點，并表示“上帝不擲骰子”。

盡管愛因斯坦厭惡不確定性，但微觀世界中的另一個不可思議的現象卻是由他首先發現的。在一個思想實驗中，愛因斯坦發現，如果量子力學所描述的不確定性是正確的，那么量子力學可以推導出一個結論：兩個粒子經過短暫的相互作用之后，測量其中一個粒子的狀態會不可避免地瞬間影響到另一個粒子的狀態，而不管它們之間相隔有多遠。這種現象在后來被稱為量子糾纏。

比如，假設兩個粒子相撞后，朝彼此相反方向運動。根據量子力學的法則，這些粒子現在是糾纏在一起的。它們的速度是不確定的，是未知的，但如果你測量其中一個粒子的速度，你會使這個粒子的狀態變為確定的，這會瞬間影響到另一個粒子，使其狀態也變為確定的。即使這兩個粒子相隔數萬光年，情況也是如此。

然而，根據愛因斯坦的狹義相對論，遠距離粒子之間的瞬間影響是不可能的，狹義相對論已經對信號在物體之間傳遞的速度設定了限制——不可超過光速。

愛因斯坦認為，所有物理理論，包括他的狹義相對論和廣義相對論，都必須服從信號速度不可超過光速這一原則。這一原則通常被稱為局域性原理。因此，他將量子糾纏說成是“鬼魅般的超距作用”。他認為，真實的情況是不存在什么超距作用，這些粒子一直都有一個確定的速度，只不過量子力學還沒能力確切地描述它們。愛因斯坦相信，會有一個更為基本的理論浮現出來，取代當前的量子力學。

消滅鬼魅般的超距作用

然而，多年來許多實驗證實了量子力學這個違反直覺的預言是正確的，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實中的確存在。

事情果真如此嗎？一些物理學家發現，逆因果可以讓量子糾纏遵循局域性原理。這一觀點可以追溯到20世紀40年代末。

當時，法國物理學家奧利維爾·科斯塔·德·博阿德發現了一種解釋量子糾纏的方法，同時又避免違反局域性原理。他建議，對于兩個互相糾纏的粒子，測量一個粒子時會產生一個信號，該信號會逆著時間傳回到過去兩個粒子相撞的時刻，然后，這個信號就可以順著時間與另一個粒子一起向前運動，直到前一個粒子被測量時，信號可立刻傳給另一個粒子，確保這兩個粒子的狀態同時發生變化。由于信號是逆著時間傳過去，又順著時間回到現在，所以我們感覺是瞬間發生的。

如果信號真的可以先逆著時間去影響過去，然后再順著時間去影響另一個粒子，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中的隨機性。在包含逆因果的量子力學中，現在發生的事情可能會受到過去的事情以及未來的事情的影響。很顯然，我們無法提前知曉會有哪些未來的事情帶來了影響，從而也無法完全確定該事情會如何進行，使得我們認為事情是一個隨機事件。但如果我們能看到宇宙的整個歷史的話，我們就能知道事情發生的脈絡，并會發現隨機事件并不是真正的隨機。

如果是這樣的話，那么愛因斯坦說的是對的。上帝的確不擲骰子，事實上，上帝是在玩數獨。一個人在玩數獨時，需要在格子里填寫數字，如果你只觀測某一個格子的話，你會覺得填下的數字像是隨機數。但如果你把玩數獨的整個過程都看下來，那么你會發現每個格子里填寫的數并不是隨機的，而是一個特定且唯一的數。

總之，量子力學的隨機性并不是真正的隨機，而是源于我們無法掌握宇宙整個歷史。

逆因果與時間反演

但是，這個觀點一直被人們所忽視。主要原因是逆因果似乎很荒謬，它與日常經驗相沖突，而且逆因果并不比量子糾纏更令人難以接受。但是，如果你考慮時間反演對稱性的話，事情就會變得更加合理起來。

時間反演對稱可以這么理解：把一個物理過程用攝像機拍下來，然后把膠卷倒過來放映，假如描述這個過程的物理定律與順放時是一樣的，那么該物理定律就具有時間反演對稱性。這也意味著，單憑這個物理定律無法判斷時間方向。

通常，宏觀世界并不存在時間反演對稱性。比如你打碎了一枚雞蛋，時間倒轉的話，那么就是被打碎的雞蛋復原，但這是不可能發生的，因為它違反了熱力學第二定律。熱力學第二定律是，熵——系統的混亂程度——總是隨著時間的推移而增加的。

但熱力學第二定律僅適用于粒子很多的宏觀系統，物理學家認為，那些研究少量粒子系統的基礎物理定律，包括量子力學，幾乎都是遵循時間反演對稱性的。

那么，只要量子力學完全遵循時間反演對稱性，結果先于原因這樣的事情，仍可以用當前的量子力學來解釋，這使得逆因果變為一件合理的事情。

逆因果與塊狀宇宙

此外，一個被稱為“塊狀宇宙”的理論也可以讓逆因果變得更加合理。

我們通常認為，如果事情成為了過去，比如第二次世界大戰，那么它們就永遠消失了。而未來的事情，比如人類登上火星等，還沒有發生，所以它們也不存在。也就是說，我們所認為的宇宙，只包含此時此刻所發生的所有事情。但塊狀宇宙理論認為這是不正確的，宇宙其實包含了在任何時間、任何地點發生過的所有事情。從這個觀點來看，過去、現在和未來都一直存在，而且同樣真實，都在宇宙的某個地方。

塊狀宇宙有四個維度，三個空間維度（長、寬、高）加上第四個時間維度。為了便于理解，讓我們簡化一下，把我們世界的模型想象成一個三維的長方體。長方體的兩個維度（長和高）代表了宇宙的三個空間維度中的兩個。

圖中的第三個空間維度被省略了，而長方體的寬度代表時間。長方體寬度的一端是宇宙大爆炸，另一端是宇宙的最后一刻。長方體內包含了所有發生過的事件，這些事件在長方體中的位置表示它們在時空中的位置。所有的事情，包括你的出生和死亡，你讀這段文字的那一時刻，以及第二次世界大戰、人類登上火星，都存在于這個長方體內的某個地方。

如果宇宙只包含此次此刻所發生的所有事情，那么未來很顯然沒辦法影響過去，因為過去的事情不存在了。但如果過去、現在和未來都一直存在，那么這就給了逆因果的發生提供了先決條件。一些物理學家認為，我們現在需要的是把當前的量子力學與塊狀宇宙理論結合起來，那么再加上時間反演對稱性，出現逆因果會是一件自然而然的事情。

所以，只要你認真地思考這個問題，就會發現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中的大難題。最近，一些物理學家就開始嘗試把逆因果引入量子糾纏中。當然，該理論還很粗糙，需要進一步完善，而且并不是所有物理學家都贊同這一理論。那么，這項理論研究是否能引發了物理界的變革？讓我們拭目以待。