เวลาที่บิดเบี้ยวในฟิสิกส์ควอนตัม: อนาคตอาจมีอิทธิพลต่ออดีตได้อย่างไร

รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ปี 2022 ได้เน้นย้ำถึงความท้าทายในการทดลองควอนตัมที่ก่อให้เกิด “ความสมจริงในท้องถิ่น” อย่างไรก็ตาม ผู้เชี่ยวชาญจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ เสนอ “การย้อนรอยเหตุ” เป็นวิธีแก้ปัญหา โดยเสนอว่าการกระทำในปัจจุบันสามารถมีอิทธิพลต่อเหตุการณ์ในอดีต ดังนั้นจึงรักษาทั้งความเป็นท้องถิ่นและความสมจริง แนวคิดนี้นำเสนอวิธีการใหม่ในการทำความเข้าใจสาเหตุและความสัมพันธ์ในกลศาสตร์ควอนตัม และแม้จะมีนักวิจารณ์บางคนและสับสนกับ “การกำหนดสิ่งเหนือธรรมชาติ” แต่ก็ถูกมองว่าเป็นคำอธิบายที่เป็นไปได้มากขึ้นสำหรับการทดลองที่ก้าวล้ำล่าสุด ซึ่งอาจปกป้องหลักการหลักของทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

ในปี 2565 ก รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ได้รับรางวัลสำหรับงานทดลองที่แสดงให้เห็นว่าโลกควอนตัมต้องทำลายสัญชาตญาณพื้นฐานบางอย่างของเราเกี่ยวกับวิธีการทำงานของจักรวาล

หลายคนดูการทดลองเหล่านั้นและสรุปว่าพวกเขาท้าทาย “พื้นที่” ซึ่งเป็นสัญชาตญาณว่าวัตถุที่อยู่ห่างไกลต้องการสื่อกลางทางกายภาพเพื่อโต้ตอบ และแท้จริงแล้ว การเชื่อมต่ออย่างลึกลับระหว่างอนุภาคที่อยู่ห่างไกลจะเป็นวิธีหนึ่งในการอธิบายผลการทดลองเหล่านี้

คนอื่นกลับคิดว่าการทดลองท้าทาย “ความสมจริง” ซึ่งเป็นสัญชาตญาณที่ว่ามีสถานการณ์ที่เป็นปรปักษ์ซึ่งอยู่ภายใต้ประสบการณ์ของเรา ท้ายที่สุดแล้ว การทดลองนั้นยากที่จะอธิบายได้ก็ต่อเมื่อการวัดของเรานั้นสอดคล้องกับของจริงเท่านั้น นักฟิสิกส์หลายคนเห็นด้วยกับสิ่งที่เกิดขึ้น เรียกว่า “การตายโดยการทดลอง” ของสัจนิยมท้องถิ่น

แต่จะเป็นอย่างไรหากสามารถบันทึกสัญชาตญาณทั้งสองนี้ได้โดยเสียค่าใช้จ่ายหนึ่งในสาม กลุ่มผู้เชี่ยวชาญจำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ คิดว่าเราควรละทิ้งข้อสันนิษฐานที่ว่าการกระทำในปัจจุบันไม่สามารถส่งผลกระทบต่อเหตุการณ์ในอดีต ตัวเลือกนี้เรียกว่า “ย้อนยุค” ตัวเลือกนี้อ้างว่าช่วยทั้งสถานที่และความสมจริง

สาเหตุ

อะไรคือสาเหตุกันแน่? เริ่มจากบรรทัดที่ทุกคนรู้: ความสัมพันธ์ไม่ใช่สาเหตุ ความสัมพันธ์บางอย่างเป็นสาเหตุ แต่ไม่ใช่ทั้งหมด ความแตกต่างคืออะไร?

ลองพิจารณาสองตัวอย่าง (1) เข็มของบารอมิเตอร์และสภาพอากาศมีความสัมพันธ์กัน นั่นคือเหตุผลที่เราเรียนรู้เกี่ยวกับสภาพอากาศโดยการดูที่บารอมิเตอร์ แต่ไม่มีใครคิดว่าเข็มบารอมิเตอร์เป็นสาเหตุของสภาพอากาศ (2) การดื่มกาแฟเข้มข้นมีความสัมพันธ์กับอัตราการเต้นของหัวใจที่เพิ่มขึ้น ที่นี่ดูเหมือนจะถูกต้องที่จะบอกว่าสิ่งแรกก่อให้เกิดสิ่งที่สอง

ความแตกต่างคือถ้าเรา “กระดิก” เข็มบารอมิเตอร์ เราจะไม่เปลี่ยนสภาพอากาศ สภาพอากาศและเข็มบารอมิเตอร์ถูกควบคุมโดยสิ่งที่สาม ซึ่งก็คือความกดอากาศ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมทั้งสองสิ่งนี้จึงสัมพันธ์กัน เมื่อเราควบคุมเข็มเอง เราจะทำลายการเชื่อมโยงกับความดันอากาศ และความสัมพันธ์จะหายไป

แต่ถ้าเราเข้าไปแทรกแซงเพื่อเปลี่ยนการบริโภคกาแฟของใครบางคน โดยปกติแล้ว เราจะเปลี่ยนอัตราการเต้นของหัวใจของพวกเขาด้วย ความสัมพันธ์เชิงสาเหตุคือสิ่งที่ยังคงมีอยู่เมื่อเราขยับตัวแปรตัวใดตัวหนึ่ง

ทุกวันนี้ วิทยาศาสตร์ในการมองหาความสัมพันธ์ที่แน่นแฟ้นเหล่านี้เรียกว่า “การค้นพบเชิงสาเหตุ” เป็นชื่อที่ยิ่งใหญ่สำหรับแนวคิดง่ายๆ การค้นหาว่ามีอะไรเปลี่ยนแปลงอีกบ้างเมื่อเราขยับสิ่งต่างๆ รอบตัวเรา

ในชีวิตปกติ เรามักจะคิดว่าผลของการกระดิกนั้นจะปรากฏช้ากว่าการกระดิกเอง นี่เป็นข้อสันนิษฐานตามธรรมชาติที่เราไม่ได้สังเกตว่าเรากำลังทำมันอยู่

แต่ไม่มีอะไรในวิธีการทางวิทยาศาสตร์กำหนดให้สิ่งนี้เกิดขึ้น และมันก็ถูกละทิ้งไปอย่างง่ายดายในนิยายแฟนตาซี ในทำนองเดียวกัน ในบางศาสนา เราอธิษฐานให้คนที่เรารักอยู่ท่ามกลางผู้รอดชีวิตจากเหตุเรืออับปางเมื่อวานนี้ เรากำลังจินตนาการว่าสิ่งที่เราทำในตอนนี้สามารถส่งผลกระทบต่อบางสิ่งในอดีตได้ นั่นคือการหวนกลับ

การหวนกลับทางควอนตัม

ภัยคุกคามทางควอนตัมต่อพื้นที่ (วัตถุที่อยู่ห่างไกลนั้นต้องการตัวกลางทางกายภาพเพื่อโต้ตอบ) เกิดจากการโต้แย้งของชาวไอร์แลนด์เหนือ จอห์น เบลล์ นักฟิสิกส์ ในปี 1960 เบลล์พิจารณาการทดลองที่นักฟิสิกส์สมมุติสองคน อลิซและบ็อบ ได้รับอนุภาคจากแหล่งเดียวกัน แต่ละคนเลือกหนึ่งในการตั้งค่าการวัดที่หลากหลาย จากนั้นจึงบันทึกผลการวัด ทำซ้ำหลายครั้ง การทดสอบจะสร้างรายการผลลัพธ์

เบลล์ตระหนักว่ากลศาสตร์ควอนตัมคาดการณ์ว่าจะมีความสัมพันธ์ที่แปลกประหลาด (ขณะนี้ได้รับการยืนยันแล้ว) ในข้อมูลนี้ พวกเขาดูเหมือนจะบอกเป็นนัยว่าการเลือกฉากของอลิซมีอิทธิพลเล็กน้อยต่อผลลัพธ์ของบ็อบแบบ “คนนอกท้องถิ่น” และในทางกลับกัน แม้ว่าอลิซและบ็อบจะอายุห่างกันหลายปีแสงก็ตาม ข้อโต้แย้งของเบลล์คือ พูดว่า เป็นภัยคุกคามต่อทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ซึ่งเป็นส่วนสำคัญของฟิสิกส์สมัยใหม่

แต่นั่นเป็นเพราะเบลล์สันนิษฐานว่าอนุภาคควอนตัมไม่รู้ว่าจะต้องเจอการวัดแบบใดในอนาคต แบบจำลองย้อนยุค เสนอว่าตัวเลือกการวัดของอลิซและบ็อบส่งผลต่ออนุภาคที่กลับมาที่แหล่งกำเนิด สิ่งนี้สามารถอธิบายความสัมพันธ์ที่แปลกประหลาดได้โดยไม่ทำลายทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ

ในงานล่าสุด เราได้เสนอ กลไกง่ายๆ สำหรับความสัมพันธ์ที่แปลกประหลาด – มันเกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ทางสถิติที่คุ้นเคยที่เรียกว่า อคติของ Berkson (ดูสรุปยอดนิยมของเรา ที่นี่).

ขณะนี้มีกลุ่มนักวิชาการที่ประสบความสำเร็จซึ่งทำงานเกี่ยวกับควอนตัมย้อนยุค แต่ก็ยังมองไม่เห็นสำหรับผู้เชี่ยวชาญบางคนในสาขาที่กว้างขึ้น มันสับสนกับมุมมองที่แตกต่างออกไปที่เรียกว่า

ความมุ่งมั่น

ความมุ่งมั่น เห็นด้วยกับการย้อนกลับว่าตัวเลือกการวัดและคุณสมบัติพื้นฐานของอนุภาคมีความสัมพันธ์กันอย่างไร

แต่ลัทธิเหนือระดับปฏิบัติต่อมันเหมือนกับความสัมพันธ์ระหว่างสภาพอากาศกับเข็มบารอมิเตอร์ สันนิษฐานว่ามีบางสิ่งลึกลับที่สาม – “ตัวกำหนดยิ่งยวด” – ที่ควบคุมและสัมพันธ์ทั้งตัวเลือกของเราและอนุภาค วิธีที่ความดันบรรยากาศควบคุมทั้งสภาพอากาศและบารอมิเตอร์

จึงปฏิเสธว่าการเลือกการวัดเป็นสิ่งที่เรามีอิสระที่จะกระดิกได้ตามต้องการ สิ่งเหล่านี้ถูกกำหนดไว้แล้ว การกระดิกอย่างอิสระจะทำลายความสัมพันธ์ เช่นเดียวกับในกรณีของบารอมิเตอร์ นักวิจารณ์ วัตถุ superdeterminism นั้นจึงตัดทอนสมมติฐานหลักที่จำเป็นในการทำการทดลองทางวิทยาศาสตร์ พวกเขายังบอกว่ามันหมายถึงการปฏิเสธเจตจำนงเสรีเพราะ มีบางอย่างกำลังควบคุมอยู่ ทั้งตัวเลือกการวัดและอนุภาค

การคัดค้านเหล่านี้ใช้ไม่ได้กับเหตุย้อนหลัง Retrocausalists ทำการค้นพบสาเหตุทางวิทยาศาสตร์ด้วยวิธีที่ไม่ซับซ้อนตามปกติ เราว่ามันคือชาวบ้านที่ละทิ้งการย้อนอดีตที่ลืมวิธีการทางวิทยาศาสตร์ หากพวกเขาปฏิเสธที่จะปฏิบัติตามหลักฐานที่นำไปสู่

หลักฐาน

หลักฐานย้อนหลังคืออะไร? นักวิจารณ์ขอหลักฐานการทดลอง แต่นั่นเป็นเรื่องง่าย: การทดลองที่เกี่ยวข้องเพิ่งได้รับรางวัลโนเบล ส่วนที่ยุ่งยากกำลังแสดงให้เห็นว่าเหตุย้อนหลังให้คำอธิบายที่ดีที่สุดเกี่ยวกับผลลัพธ์เหล่านี้

เราได้กล่าวถึงศักยภาพในการขจัดภัยคุกคามต่อทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของไอน์สไตน์ นั่นเป็นคำแนะนำที่ค่อนข้างใหญ่ในมุมมองของเรา และน่าแปลกใจที่ใช้เวลานานมากในการสำรวจ ความสับสนกับ superdeterminism ดูเหมือนจะตำหนิเป็นหลัก

นอกจากนี้, เรา และ คนอื่น ได้แย้งว่าการหวนกลับทำให้เข้าใจถึงความจริงที่ว่าโลกขนาดเล็กของอนุภาคไม่สนใจความแตกต่างระหว่างอดีตและอนาคต

เราไม่ได้หมายความว่าเป็นการแล่นเรือธรรมดาทั้งหมด ความกังวลที่ใหญ่ที่สุดเกี่ยวกับการย้อนเวลาคือความเป็นไปได้ที่จะส่งสัญญาณไปยังอดีต เปิดประตูสู่ความขัดแย้งของการเดินทางข้ามเวลา แต่การสร้างความขัดแย้งนั้นต้องมีการวัดผลกระทบในอดีต ถ้าคุณย่าของเราไม่สามารถอ่านคำแนะนำของเราเพื่อหลีกเลี่ยงการแต่งงานกับคุณปู่ได้ หมายความว่าเราจะไม่เกิดขึ้น ก็ไม่มีความขัดแย้ง และในกรณีของควอนตัม เป็นที่ทราบกันดีว่าเราไม่สามารถวัดทุกอย่างพร้อมกันได้

ถึงกระนั้น ก็ยังมีงานที่ต้องทำในการประดิษฐ์แบบจำลองเหตุการณ์ย้อนหลังที่เป็นรูปธรรมซึ่งบังคับใช้ข้อจำกัดนี้ซึ่งคุณไม่สามารถวัดทุกอย่างพร้อมกันได้ ดังนั้นเราจะปิดด้วยข้อสรุปที่รอบคอบ ในขั้นตอนนี้ เป็นเรื่องของการย้อนอดีตที่มีลมเป็นส่วนประกอบ ดังนั้นเรือจึงมุ่งสู่รางวัลที่ยิ่งใหญ่ที่สุด นั่นก็คือการกอบกู้พื้นที่และความสมจริงจาก “ความตายโดยการทดลอง”

เขียนโดย:

• Huw Price, กิตติคุณ Fellow, Trinity College, University of Cambridge
• Ken Wharton ศาสตราจารย์ฟิสิกส์และดาราศาสตร์ San José State University

บทความนี้เผยแพร่ครั้งแรกใน บทสนทนา.