Nagroda Nobla z fizyki w 2022 r. została przyznana za prace eksperymentalne wykazujące fundamentalne przerwy w naszym rozumieniu świata kwantowego, co doprowadziło do dyskusji na temat „lokalnego realizmu” i tego, jak można go obalić. Wielu teoretyków uważa, że ​​eksperymenty te kwestionują albo „lokalność” (pogląd, że odległe obiekty wymagają fizycznego mediatora do interakcji), albo „realizm” (pogląd, że istnieje obiektywny stan rzeczywistości). Jednak coraz większa liczba ekspertów sugeruje alternatywne podejście, „retroprzyczynowość”, które zakłada, że ​​obecne działania mogą wpływać na przeszłe wydarzenia, zachowując w ten sposób zarówno lokalność, jak i realizm.

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 2022 r. podkreśliła wyzwania, jakie eksperymenty kwantowe stawiają przed „lokalnym realizmem”. Jednak rosnąca grupa ekspertów proponuje „retroprzyczynowość” jako rozwiązanie, sugerując, że obecne działania mogą wpływać na przeszłe wydarzenia, zachowując w ten sposób zarówno lokalność, jak i realizm. Ta koncepcja oferuje nowatorskie podejście do zrozumienia związku przyczynowego i korelacji w mechanice kwantowej i pomimo niektórych krytyków i mylenia z „superdeterminizmem” jest coraz częściej postrzegana jako realne wyjaśnienie ostatnich przełomowych eksperymentów, potencjalnie chroniących podstawowe zasady szczególnej teorii względności.

W 2022 roku nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przyznano za prace eksperymentalne pokazujące, że świat kwantowy musi złamać niektóre z naszych fundamentalnych intuicji dotyczących działania wszechświata.

Wielu patrzy na te eksperymenty i dochodzi do wniosku, że kwestionują one „lokalność” — intuicję, że odległe obiekty potrzebują fizycznego mediatora do interakcji. I rzeczywiście, tajemniczy związek między odległymi cząstkami byłby jednym ze sposobów wyjaśnienia tych eksperymentalnych wyników.

Inni zamiast tego uważają, że eksperymenty podważają „realizm” — intuicję, że u podstaw naszego doświadczenia leży obiektywny stan rzeczy. W końcu eksperymenty są trudne do wyjaśnienia tylko wtedy, gdy uważa się, że nasze pomiary odpowiadają czemuś rzeczywistemu. Tak czy inaczej, wielu fizyków zgadza się co do tego, co nazwano „śmiercią eksperymentu” lokalnego realizmu.

Ale co, jeśli obie te intuicje można uratować kosztem trzeciej? Rosnąca grupa ekspertów uważa, że ​​zamiast tego powinniśmy porzucić założenie, że obecne działania nie mogą wpływać na wydarzenia z przeszłości. Ta opcja, zwana „retroprzyczynowością”, ma ratować zarówno lokalność, jak i realizm.

Związek przyczynowy

Czym w ogóle jest przyczynowość? Zacznijmy od zdania, które wszyscy znają: korelacja nie jest związkiem przyczynowo-skutkowym. Niektóre korelacje są przyczynowe, ale nie wszystkie. Co za różnica?

Rozważ dwa przykłady. (1) Istnieje korelacja między wskazówką barometru a pogodą – dlatego dowiadujemy się o pogodzie, patrząc na barometr. Ale nikt nie myśli, że igła barometru powoduje pogodę. (2) Picie mocnej kawy jest skorelowane z podwyższonym tętnem. Tutaj wydaje się słuszne stwierdzenie, że pierwsze powoduje drugie.

Różnica polega na tym, że jeśli „poruszymy” igłą barometru, to nie zmienimy pogody. Zarówno pogoda, jak i wskazówka barometru są kontrolowane przez trzecią rzecz, ciśnienie atmosferyczne – dlatego są ze sobą skorelowane. Kiedy sami kontrolujemy igłę, przerywamy połączenie z ciśnieniem powietrza, a korelacja znika.

Ale jeśli interweniujemy, aby zmienić czyjeś spożycie kawy, zwykle zmienimy również tętno. Korelacje przyczynowe to te, które nadal utrzymują się, gdy poruszamy jedną ze zmiennych.

W dzisiejszych czasach nauka o poszukiwaniu tych solidnych korelacji nazywa się „odkryciem przyczynowym”. To wielkie imię dla prostego pomysłu: dowiedzieć się, co jeszcze się zmienia, kiedy poruszamy rzeczami wokół nas.

W zwykłym życiu zwykle przyjmujemy za pewnik, że efekty poruszenia pojawią się później niż samo poruszenie. Jest to tak naturalne założenie, że nie zauważamy, że je tworzymy.

Ale nic w metodzie naukowej nie wymaga tego, aby tak się stało, i łatwo jest to porzucić w fantastyce. Podobnie w niektórych religiach modlimy się, aby nasi bliscy znaleźli się wśród ocalałych z wczorajszej katastrofy morskiej, powiedzmy. Wyobrażamy sobie, że coś, co robimy teraz, może mieć wpływ na coś w przeszłości. To jest retroprzyczynowość.

Kwantowa retroprzyczynowość

Zagrożenie kwantowe dla lokalności (że odległe obiekty potrzebują fizycznego mediatora do interakcji) wynika z argumentu fizyka z Irlandii Północnej, Johna Bella, w latach sześćdziesiątych. Bell rozważał eksperymenty, w których dwóch hipotetycznych fizyków, Alice i Bob, otrzymuje cząstki ze wspólnego źródła. Każdy wybiera jedno z kilku ustawień pomiaru, a następnie zapisuje wynik pomiaru. Wielokrotnie powtarzany eksperyment generuje listę wyników.

Bell zdał sobie sprawę, że mechanika kwantowa przewiduje, że w tych danych będą występować dziwne korelacje (teraz potwierdzone). Zdawały się sugerować, że wybór scenerii dokonany przez Alicję ma subtelny „nielokalny” wpływ na wynik Boba i vice versa – mimo że Alice i Boba dzielą lata świetlne. Mówi się, że argument Bella stanowi zagrożenie dla szczególnej teorii względności Alberta Einsteina, która jest istotną częścią współczesnej fizyki.

Ale to dlatego, że Bell założył, że cząstki kwantowe nie wiedzą, jakie pomiary napotkają w przyszłości. Modele retroprzyczynowe sugerują, że wybory pomiarowe Alicji i Boba wpływają na cząstki z powrotem u źródła. To może wyjaśnić dziwne korelacje, bez naruszania szczególnej teorii względności.

W ostatnich pracach zaproponowaliśmy prosty mechanizm dziwnej korelacji – obejmuje on znane zjawisko statystyczne zwane błędem Berksona (zobacz nasze popularne podsumowanie tutaj).

Istnieje teraz dobrze prosperująca grupa uczonych, którzy pracują nad kwantową retroprzyczynowością. Ale nadal jest to niewidoczne dla niektórych ekspertów w szerszej dziedzinie. Myli się z powodu innego poglądu zwanego „superdeterminizmem”.

Superdeterminizm

Superdeterminizm zgadza się z retroprzyczynowością, że wybory pomiarowe i leżące u ich podstaw właściwości cząstek są w jakiś sposób skorelowane.

Ale superdeterminizm traktuje to jak korelację między pogodą a wskazówką barometru. Zakłada, że ​​istnieje jakaś tajemnicza trzecia rzecz – „superdeterminator” – która kontroluje i koreluje zarówno nasze wybory, jak i cząsteczki, tak jak ciśnienie atmosferyczne kontroluje zarówno pogodę, jak i barometr.

Tak więc superdeterminizm zaprzecza, że ​​wybory pomiarowe są rzeczami, którymi możemy dowolnie sterować, są one z góry określone. Swobodne ruchy zerwałyby korelację, tak jak w przypadku barometru. Krytycy sprzeciwiają się temu, że superdeterminizm podważa w ten sposób podstawowe założenia niezbędne do podejmowania eksperymentów naukowych. Mówią też, że oznacza to zaprzeczenie wolnej woli, ponieważ coś kontroluje zarówno wybory pomiarowe, jak i cząstki.

Zastrzeżenia te nie dotyczą retroprzyczynowości. Retrokauzaliści dokonują naukowych odkryć przyczynowych w zwykły swobodny, kręty sposób. Mówimy, że to ci, którzy odrzucają retroprzyczynowość, zapominają o metodzie naukowej, jeśli nie chcą podążać za dowodami, dokąd one prowadzą.

Dowód

Jakie są dowody na retroprzyczynowość? Krytycy proszą o dowody eksperymentalne, ale to jest proste: odpowiednie eksperymenty właśnie zdobyły Nagrodę Nobla. Trudną częścią jest pokazanie, że retroprzyczynowość daje najlepsze wyjaśnienie tych wyników.

Wspomnieliśmy o możliwości usunięcia zagrożenia dla szczególnej teorii względności Einsteina. Naszym zdaniem to dość duża wskazówka i zaskakujące jest, że zbadanie jej zajęło tak dużo czasu. Zamieszanie z superdeterminizmem wydaje się być głównie winne.

Ponadto my i inni argumentowaliśmy, że retroprzyczynowość lepiej wyjaśnia fakt, że mikroświat cząstek nie dba o różnicę między przeszłością a przyszłością.

Nie chodzi nam o to, że wszystko jest proste. Największym zmartwieniem związanym z retroprzyczynowością jest możliwość wysyłania sygnałów do przeszłości, otwierających drzwi do paradoksów podróży w czasie. Ale żeby zrobić paradoks, trzeba zmierzyć efekt w przeszłości. Jeśli nasza młoda babcia nie może przeczytać naszych rad, aby uniknąć małżeństwa z dziadkiem, co oznacza, że ​​nie moglibyśmy istnieć, nie ma paradoksu. A w przypadku kwantowym dobrze wiadomo, że nigdy nie możemy zmierzyć wszystkiego naraz.

Nadal jednak pozostaje wiele do zrobienia w zakresie opracowywania konkretnych modeli retrokauzalnych, które narzucają to ograniczenie, że nie można zmierzyć wszystkiego naraz. Więc zakończymy ostrożnym wnioskiem. Na tym etapie to retroprzyczynowość ma wiatr w żaglach, więc pochyl się ku największej ze wszystkich nagród: ocaleniu lokalności i realizmu przed „śmiercią przez eksperyment”.

Scenariusz:

• Huw Price, emerytowany członek Trinity College, University of Cambridge
• Ken Wharton, profesor fizyki i astronomii na Uniwersytecie Stanowym w San José

Ten artykuł został opublikowany po raz pierwszy w The Conversation.