量子力学,竟可以改变因果定律逼疯科学家,
在扰乱因果顺序的量子实验的刺激下，一些物理学家正在研究如何彻底抛弃因果关系。
不确定因果顺序的神秘性使事件的顺序变得不确定。
所有事物，都一定要遵循因果关系吗？
首先在这里讲述一个故事，作为此次因果顺序的案例：
爱丽丝和鲍勃，这对思想实验的明星，他们正在做饭时，不幸意外接踵而来。爱丽丝不小心摔掉了一个盘子；这声音把鲍勃吓了一跳，导致他在炉子上烧伤了自己，并大叫起来。然而，在另一个版本的事件中，鲍勃烧伤了自己，由于大声的尖叫，导致爱丽丝摔掉了一个盘子。
在过去的十年里，量子物理学家一直在探索这一种奇怪故事的背后认知：原则上，两个版本的故事是可以同时发生的。也就是说，事件可以以一种不确定的因果顺序发生，其中A导致B和B导致A同时为真。
维也纳大学物理学家乔阿斯拉夫·布鲁克纳（aslavBrukner）教授也对此承认：“确实，这听起来也太离谱了。”。
然而，在现实中，这是真实存在的。这种可能性源于被称为“叠加态”的量子现象，在这种现象中，直到粒子被测量的那一刻之前，它们会同时保持所有可能的真实性。在奥地利、中国、澳大利亚和其他地方的实验室里，物理学家通过将一个光粒子（称为光子）置于两种状态的叠加中来观察不确定的因果顺序。然后，他们将叠加的一个分支先置于过程A后再置于过程B，将另一个分支先置于过程B后再置于过程A。在这个过程中，这被称为量子开关，A的结果影响B中发生的事情，反之亦然；光子同时经历两种因果顺序。
在过去的五年里，越来越多的量子物理学家在桌面实验中实现了量子开关，并探索了不定因果序为量子计算和通信提供的优势。布里斯托尔大学（UniversityofBristol）的研究人员朱利亚·鲁比诺（GiuliaRubino）说：这确实是一种在日常生活中真正有用的东西。”，她在年领导了量子开关的首次实验演示。
但这一现象的实际应用只会使其深层含义更加尖锐。
在量子力学看来，因果关系是完全可以颠倒的
物理学家们早就意识到，通常情况下，事件以因果序列的形式展开，并没有抓住事物的基本本质。他们认为，如果我们想弄清楚引力、空间和时间的量子起源，这种传统因果关系的观点可能必须废除。但直到最近，关于后因果物理学如何运作的观点还并不多。布鲁克纳（Brukner）说：“许多人认为，因果关系是我们认识世界的基础，如果我们削弱这一概念，我们就无法提出连贯、有意义的理论。然而，这一观点可能是错误的。”。
随着物理学家们对新的量子开关实验，以及相关的思维实验的思考，这种情况正在发生变化，
在这些实验中，爱丽丝和鲍勃面临着由引力的量子性质所造成的因果不确定性。对这些情景的解释迫使研究人员发展新的数学形式和思维方式。
布鲁克纳（Brukne）表示，有了这些新兴的框架，“我们可以在没有明确定义的因果关系情况下做出预测。”。
其实根本不存在因果关系，这实质是一种相关性问题
最近该领域的进展越来越迅速，但许多科学家将量子引力问题这条攻击线的起源，追溯到16年前加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所(PerimeterInstitutefortheoreticalPhysics)的英裔加拿大理论物理学家卢西安·哈迪(LucienHardy)的研究工作。布鲁克纳（Brukner）认为，“就我而言，我认为这一切都是从卢西恩·哈代的论文开始的。”
在当时，哈迪（Hardy)最著名的理论是，他采用了阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEinstein）提出的概念方法，并将其应用于量子力学。
爱因斯坦——彻底改变了物理学，其不是通过思考世界上存在着什么，而是通过思考个人可能测量到的东西。他假设一个人在移动的火车上用尺子和时钟进行测量。并通过使用这种“操作性”方法，他能够得出这样的结论：空间和时间必须是相对的。
卢西安·哈迪(LucienHardy)开创了量子不确定因果关系的研究，以此作为理解引力量子本质的途径。
年，哈迪（Hardy)将同样的方法应用于量子力学。他从五个操作性公理开始重建了所有的量子理论。
然后，他开始着手将其应用于一个更大的问题上：一个已经存在了80年的问题——如何调和量子力学和广义相对论（由爱因斯坦创立的跨世纪著名引力理论）。哈迪（Hardy)于去年冬天的论坛中谈到：“我的对此的观点是——也许量子理论的操作性思维方式可以应用于量子引力。”。
然而，这一根本性问题是：在量子引力中，我们原则上可以观察到什么？哈迪（Hardy)认为量子力学和广义相对论各有一个根本的特征——（1）量子力学：是出了名的不确定性；它的叠加允许同时存在的可能性。同时，（2）广义相对论：认为空间和时间是具有可塑性（可延展）的。在爱因斯坦的理论中，像地球这样的大质量物体会拉伸时空“度量”——本质上是尺子上散列标记之间的距离，以及时钟滴答声之间的持续时间。例如，你离一个巨大的物体越近，你的时钟滴答的速度就越慢。然后，这个度量确定了附近事件的“光锥”（lightcone）——该事件可以对其产生因果影响的时空区域。
哈迪（Hardy)表示，当你把这两个基本特征结合起来时，两种同时存在的量子可能性将以不同的方式拉伸度量。事件的光锥变得不确定——因此，因果关系本身也变得不确定。
然而，大多数关于量子引力的研究工作都忽略了其中一个特征。例如，一些研究人员试图描述“引力子”的行为，即引力的量子单位。但是研究人员发现引力子在一个固定的背景时间内相互作用。哈迪（Hardy)指出：“我们已经习惯于思考世界在时间上的演变。”不过，他的理由是，量子引力肯定会继承广义相对论的根本特征，缺乏固定的时间和固定的因果关系。这位冷静严肃的物理学家继续说道，“因此，我们的想法是把谨慎抛到脑后。从而真正接受这种没有明确因果结构的疯狂情境。”
在线上的视频会议里，哈迪（Hardy)用一个特殊的投影仪拍摄了一个白板，他在白板上勾勒出各种各样思维实验，第一个实验帮助他看到了如何在不考虑事件因果顺序的情况下完全描述数据。
他想象了一排探测器在太空中漂浮。并且正在进行采集数据——比如说，记录从附近爆炸的恒星或超新星中喷出的偏振光：每秒钟，每个探测器都会记录它的位置、偏振器的方向（一种类似偏振太阳镜的设备，它可以让光子通过或阻挡光子，这取决于它的偏振状态），以及位于偏振器后面的探测器是否探测到光子。探测器把这些数据传送给房间里的一个研究人员，由他把数据打印在一张卡片上。一段时间后，实验运行结束；房间里的人将所有记录着数据的卡片洗牌，形成一个卡牌堆。
“受这个想法的启发——也许量子理论的操作思维方式可以应用于量子引力。”——卢西安·哈迪(LucienHardy)
然后，探针旋转它们的偏振器，并进行一系列新的测量，产生一堆新的卡片，然后重复这一过程，因此房间里的人最终会有许多打乱顺序的测量数据卡牌堆。哈迪（Hardy)说：“他的工作是试图弄清楚这些牌的含义。这个人想设计一种理论，来解释数据中的所有统计相关性（并通过这种方式来描述超新星），而不需要任何关于数据因果关系或时间顺序的信息，因为这些可能不是现实的基本方面。”
那么，这个人可能怎么做呢？他可以先按位置排列卡片，从每一堆卡片中取出卡片，这样那些属于太空某一区域的航天器的卡片就可以放在同一堆中。在对每一叠牌执行同样操作时，他可以开始注意到各个牌堆之间的相关性。他可能会注意到，每当一个区域检测到一个光子，只要两个地方的偏振器的角度是一样的，在另一个区域就有很高的检测概率。（这种相关性意味着，通过这些区域的光倾向于共享一个共同的偏振）然后，他可以将概率组合成与更大的复合区域有关的表达式，通过这种方式，他可以“从较小的区域为越来越大的区域建立数学对象。”
在哈迪（Hardy)的形式主义中，我们通常认为的因果关系——比如光子从天空的一个区域传播到另一个区域，将第一个区域的测量值与第二个区域的测量值关联起来，就像数据压缩一样。描述整个系统所需的信息量减少了，因为一组概率决定另一组概率。
哈迪（Hardy)将他的新形式主义称为“因果关系”框架，其中因果关系是用于计算任何区域中任何测量结果的概率的数学对象。年，他在一篇长达68页的大篇幅论文中介绍了这个总体框架，其中展示了如何在该框架中表述量子理论（本质上是通过将其一般概率表达式简化为相互作用量子位的具体情况）。
哈迪（Hardy)认为，在因果关系的框架下，也应该有可能形成广义相对论，
但他不太清楚如何继续下去。他在另一篇论文中写道，如果他能做到这一点，“这个框架可能会被用来构建量子引力理论。”
量子开关
几年后，在意大利的帕维亚，量子信息理论家朱利奥·奇里贝拉(GiulioChiribella)和他的三位同事正在思考一个不同的问题：什么样的量子计算是可能的？他们想到了理论计算机科学家阿朗佐·丘奇(AlonzoChurch)的经典著作。丘奇（Church)开发了一套构造函数的形式化规则——一种可接受输入并产生输出的数学机器。丘奇（Church)规则手册的一个显著特点是，一个函数的输入可以是另一个函数。
这四位意大利物理学家扪心自问：一般情况下，什么类型的函数中的函数可能会超越计算机目前的能力?他们提出了一个包含两个函数A和B的过程，这两个函数被组装成一个新函数。这个新功能——他们称之为量子开关，是两个选项的叠加。在叠加的一个分支中，函数的输入先经过A，然后再经过B；在另一个分支中，输入先经过B，然后再经过A。他们希望量子开关“能成为一种新的计算模型的基础，这种模型受到了丘奇（Church)的启发。”奇里贝拉(Chiribella)如此说道。
起初，这场革命是步履蹒跚的。物理学家们发现，他们无法决定量子开关的深浅、大小，也无法决定它是可以真实实现，所有的一切还仅仅是假设状态。他们的论文花了四年时间才发表。
到年它最终问世时，研究人员终于看到他们的研究如何构建量子开关。
朱利亚·鲁比诺（GiuliaRubino）、菲利普·沃尔特（PhilipWalther）及其合作者于年在维也纳大学进行了量子开关的首次实验演示。
例如，它们可以向一个叫做分束器的光学装置发射光子。根据量子力学，光子有50%的几率被透射或反射，所以它两者兼而有之。
光子的透射版本冲向一个光学装置，该装置以某种明确的方式旋转光的偏振方向。光子接下来会遇到一个类似的装置，使它以不同的方式旋转光子。让我们分别称这些装置为A和B。
同时，光子的反射版本先遇到B，再遇到A。这种情况下偏振的最终结果是不同的。
我们可以把这两种可能性——先A后B，或者先B后A，看作是不确定的因果顺序。在第一个分支中，A对B的因果影响是：如果A没有发生，B的输入和输出将完全不同。同样，在第二个分支中，B对A的因果影响是：因为后者的过程是不可能以其他方式发生。
在这些交替的因果事件发生之后，另一个分束器将光子的两个版本重新结合起来。测量它的偏振（以及许多其他光子的偏振），可以得到结果的统计分布。
布鲁克纳（Brukner）和两位合作者设计一些方法，来定量测试这些光子是否真的经历了一个不确定的因果顺序。年，研究人员计算了一个上限，即如果旋转以固定的因果顺序发生，偏振结果与在A和B处执行的旋转之间的统计相关性。如果这个数值超过了这个“因果不等式”，那么因果影响一定是双向的；因果顺序一定是不确定的。
“因果不平等的想法真的很棒，很多人决定投身这一领域。”鲁比诺（Rubino）表示，她自己在年就投身其中。她和她的同事们在年制作了一个具有里程碑意义的量子开关演示，其工作原理与上面的大致相同。利用布鲁克纳（Brukne）公司设计的一个更简单的测试，他们证实了因果顺序是不确定的。
量子开关——可以用来做什么？改变因果？
人们的注意力转向了——我们可以用这种不确定性来做些什么？奇里贝拉（Chiribella）和他的合著者认为，当以不确定的顺序通过信道发送时，可以在噪声信道上传输更多的信息。此后，昆士兰大学和其他地方的实验人员已经证明了这种通信优势。
据鲁比诺（Rubino）介绍，在迄今为止完成的“最美实验”中，年，中国科学技术大学（UniversityofScienceandTechnology）的潘建伟教授证明，当同时在两个方向传输bits时，双方能够以指数方式更有效地比较长串bits，而不是以固定的因果顺序传输，这是布鲁克纳（Brukner）和合著者在年提出的优势。今年1月，中科大的另一个研究小组报告称，虽然发动机通常需要一个冷热水库才能工作，但通过量子开关，它们可以从相同温度的水库中提取热量——有趣的是，牛津大学的科学家们在一年前也提出的这一惊人而又有趣的用途。
目前还不清楚如何将这项实验工作扩展到研究量子引力。所有关于量子开关的论文，都集中在量子引力和不定因果关系之间的联系上。但是，对于大量物体的叠加——它们以多种方式同时拉伸时空尺度，就会崩溃得极为迅速，以至于没有人想到如何检测因果关系的模糊性。因此，研究人员转而转向了思维实验。
量子等价原理
回到文首爱丽丝和鲍勃的案例。想象一下，他们分别被安置在离地球不远的实验室太空船里。诡异的是（但并非不可能），地球处于两个不同位置的量子叠加态中。你不需要整个行星都处于重力的叠加状态来产生因果不确定性：即使是一个原子，当它处于两个位置的叠加状态时，也会同时以两种方式定义度量。但当你在谈论原则上可测量的东西时，可以考虑对此大做文章。
在叠加的一个分支中，地球离爱丽丝的实验室更近，所以她的时钟走得更慢。在另一个分支，地球更接近鲍勃，所以他的时钟滴答走得更慢。当爱丽丝和鲍勃交流时，因果关系的顺序就完全颠倒了。
在年的一篇重要论文中，玛格达莱娜·齐奇（MagdalenaZych）、布鲁克纳（Brukner）及其合作者证明，这种情况将允许爱丽丝和鲍勃实现不确定因果顺序。
首先，一个光子被一个分束器分成两条可能的路径，然后到达爱丽丝和鲍勃各自的实验室飞船。这种设置是这样的，在叠加的分支中，爱丽丝的时钟走得慢一些，光子首先到达鲍勃的实验室飞船；他旋转它的偏振并把光子发送给爱丽丝，并将光子送到遥远的第三实验室的第三人查理那里。在叠加的另一个分支中，光子首先到达爱丽丝，从她到鲍勃再到查理。就像量子开关的例子一样，这个引力量子开关形成了先A后B，先B后A的叠加。
然后，查理把光子的两条路径放在一起，测量它的偏振度。爱丽丝、鲍勃和查理一遍又一遍地做实验。他们就会发现，他们的旋转和测量结果在统计学上是如此的相关，以至于旋转一定是以不确定的因果顺序发生的。
为了分析这种情况下的因果不确定性，维也纳的研究人员开发了一种编码概率的方法，可以在不参照固定背景时间的情况下，在不同地点观察不同结果，就像哈迪（Hardy)的因果关系方法一样。他们的“过程矩阵形式主义”可以处理在两个方向、一个方向或同时在两个方向上相互影响的概率。布鲁克纳（Brukner）认为：“你可以很好地定义一些条件，在这些条件下，你可以保留这些概率，但不要假设概率在之前或之后。”。
与此同时，哈迪（Hardy)在年实现了他在因果框架中构建广义相对论的目标。从本质上讲，他找到了一种更奇特的方法来整理他的卡牌堆。他指出，你可以将任何可能进行的测量映射到一个没有因果假设的抽象空间上。例如，你可以观察宇宙中的一小块区域，并测量它的一切——氧的密度，暗能量的数量，等等。然后，你可以将此块斑块的测量值绘制为一个抽象高维空间中的一个点，每个可测量的量都有一个不同的轴。对任意多的时空斑块重复进行。
当你把时空的内容映射到另一个空间之后，图案和表面就开始出现了。这个图像保留了时空中存在的所有关联性，但现在没有任何背景时间或因果的意义。然后，你可以使用因果关系框架来建立与图中越来越大的区域相关的概率表达式。
这种量子力学和广义相对论的这个共同框架可能为量子引力提供了一种语言，哈迪（Hardy)正忙着考虑下一步。
哈迪（Hardy）目前正在参与一个名为QISS的大型研究合作项目，旨在让像他这样有量子基础和量子信息背景的研究人员群体与其他量子引力研究人员群体相互交流。法国艾克斯马赛大学著名的环量子引力理论家卡洛·罗维利（CarloRovelli）领导着量子力学学会，他称哈迪（Hardy）是“一位精确的思想家”，他“从不同的角度，用不同的语言”处理问题，罗维利（Rovelli）认为这很有用。
哈迪（Hardy）认为他的因果框架可能与循环或字符串兼容，这可能潜在地提出了如何以一种不设想对象在固定的背景时间内演化的方式来表述这些理论。他认为：“我们正试图找到上山的不同路线。”他怀疑量子引力最可靠的途径是“在其核心有不确定因果结构的想法”。
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