(Phys.org) – Även om det finns många kontraintuitiva idéer inom kvantteorin, tanken att influenser kan resa bakåt i tiden (från framtiden till det förflutna) är i allmänhet inte en av dem. Dock, nyligen har några fysiker undersökt denna idé, kallas "retrokausalitet, " eftersom det potentiellt kan lösa några långvariga pussel inom kvantfysik. I synnerhet, om retrokausalitet tillåts, då kan de berömda Bell-testerna tolkas som bevis för retrokausalitet och inte för action-at-a-distans – ett resultat som Einstein och andra skeptiska till den "spöklika" egenskapen kan ha uppskattat.

I en ny tidning publicerad i Proceedings of The Royal Society A , fysikerna Matthew S. Leifer vid Chapman University och Matthew F. Pusey vid Perimeter Institute for Theoretical Physics har gett nytt teoretiskt stöd för argumentet att, om vissa rimligt klingande antaganden görs, då måste kvantteorin vara retrokausal.

Överklagandet av retrokausalitet

Först, för att klargöra vad retrokausalitet är och inte är:Det betyder inte att signaler kan kommuniceras från framtiden till det förflutna – sådan signalering skulle vara förbjuden även i en retrocausal teori på grund av termodynamiska skäl. Istället, retrokausalitet innebär att, när en experimenterare väljer mätinställningen för att mäta en partikel, det beslutet kan påverka egenskaperna hos den partikeln (eller en annan partikel) tidigare, redan innan försöksledaren gjorde sitt val. Med andra ord, ett beslut som fattas i nuet kan påverka något i det förflutna.

I de ursprungliga Bell-testerna, fysiker antog att retrokausala influenser inte kunde ske. Följaktligen, för att förklara sina observationer att avlägsna partiklar verkar omedelbart veta vilken mätning som görs på den andra, den enda rimliga förklaringen var action-på-distans. Det är, partiklarna på något sätt påverkar varandra även när de är åtskilda av stora avstånd, på sätt som inte kan förklaras av någon känd mekanism. Men genom att ta hänsyn till möjligheten att mätinställningen för en partikel retrokausalt kan påverka beteendet hos den andra partikeln, det finns inget behov av åtgärd på distans - bara retrokausalt inflytande.

Generaliserande retrokausalitet:med eller utan ett verkligt kvanttillstånd

En av de främsta förespråkarna för retrokausalitet inom kvantteorin är Huw Price, en filosofiprofessor vid University of Cambridge. Under 2012, Price lade fram ett argument som antydde att varje kvantteori som antar att 1) ​​kvanttillståndet är verkligt, och 2) kvantvärlden är tidssymmetrisk (att fysiska processer kan löpa framåt och bakåt samtidigt som de beskrivs av samma fysiska lagar) måste tillåta retrokausala influenser. Förstående, dock, idén om retrokausalitet har inte slagit fast hos fysiker i allmänhet.

"Det finns en liten grupp fysiker och filosofer som tycker att denna idé är värd att fortsätta, inklusive Huw Price och Ken Wharton [en fysikprofessor vid San José State University], " berättade Leifer Phys.org . "Det är inte, såvitt jag vet, en allmänt överenskommen tolkning av kvantteorin som återställer hela teorin och utnyttjar denna idé. Det är mer en idé för en tolkning för tillfället, så jag tror att andra fysiker med rätta är skeptiska, och det är vår skyldighet att konkretisera idén."

I den nya studien, Leifer och Pusey försöker göra detta genom att generalisera Prices argument, vilket kanske gör det mer tilltalande i ljuset av annan nyare forskning. De börjar med att ta bort Prices första antagande, så att argumentet gäller huruvida kvanttillståndet är verkligt eller inte – en fråga som fortfarande diskuteras. Ett kvanttillstånd som inte är verkligt skulle beskriva fysikers kunskap om ett kvantsystem snarare än att vara en verklig fysisk egenskap hos systemet. Även om mest forskning tyder på att kvanttillståndet är verkligt, det är svårt att bekräfta på ett eller annat sätt, och att tillåta retrokausalitet kan ge insikt i denna fråga. Att tillåta denna öppenhet angående verkligheten i kvanttillståndet är en av de främsta motiven för att undersöka retrokausalitet i allmänhet, Leifer förklarade.

"Anledningen till att jag tycker att retrokausalitet är värt att undersöka är att vi nu har en mängd no-go-resultat om realistiska tolkningar av kvantteorin, inklusive Bells teorem, Kochen-Specker, och nya bevis på kvanttillståndets verklighet, ", sa han. "Dessa säger att varje tolkning som passar in i standardramverket för realistiska tolkningar måste ha egenskaper som jag skulle betrakta som oönskade. Därför, de enda alternativen tycks vara att överge realismen eller att bryta sig ur det vanliga realistiska ramverket.

"Att överge realism är ganska populärt, men jag tror att detta berövar vetenskapen mycket av dess förklaringskraft och därför är det bättre att hitta realistiska redogörelser där det är möjligt. Det andra alternativet är att undersöka mer exotiska realistiska möjligheter, som inkluderar retrokausalitet, relationalism, och många världar. Bortsett från många världar, dessa har inte undersökts mycket, så jag tycker att det är värt att följa dem alla mer i detalj. Jag är inte personligen engagerad i den retrokausala lösningen utöver de andra, men det verkar möjligt att formulera det noggrant och undersöka det, och jag tycker att det borde göras för flera av de mer exotiska möjligheterna."

Kan inte ha både tidssymmetri och ingen retrokausalitet

I deras papper, Leifer och Pusey omformulerar också den vanliga idén om tidssymmetri i fysiken, som bygger på att vända en fysisk process genom att ersätta t med – t i rörelseekvationerna. Fysikerna utvecklar här ett starkare koncept av tidssymmetri där det inte bara är möjligt att vända en process utan att sannolikheten för att det inträffar är densamma oavsett om processen går framåt eller bakåt.

Fysikernas huvudresultat är att en kvantteori som både utgår från denna typ av tidssymmetri och att retrokausalitet inte är tillåten råkar ut för en motsägelse. De beskriver ett experiment som illustrerar denna motsägelse, där tidssymmetriantagandet kräver att framåt- och bakåtprocessen har samma sannolikheter, men antagandet om icke-retrokausalitet kräver att de är olika.

Så i slutändan handlar allt om valet om att behålla tidssymmetri eller ingen retrokausalitet, som Leifer och Puseys argument visar att man inte kan ha båda. Eftersom tidssymmetri verkar vara en grundläggande fysisk symmetri, de hävdar att det är mer meningsfullt att tillåta retrokausalitet. Att göra det skulle eliminera behovet av action-på-distans i Bell-tester, och det skulle fortfarande vara möjligt att förklara varför det är förbjudet att använda retrokausalitet för att skicka information.

"Argumentet för att omfamna retrokausalitet verkar starkare för mig av följande skäl:" sa Leifer. "Först, att ha retrokausalitet gör det möjligt för oss att lösa de problem som tas upp av andra no-go-satser, dvs. det gör det möjligt för oss att ha Bell-korrelationer utan handling-på-avstånd. Så, även om vi fortfarande måste förklara varför det inte finns någon signalering in i det förflutna, det verkar som att vi kan kollapsa flera pussel till bara ett. Så skulle inte vara fallet om vi istället överger tidssymmetri.

"Andra, vi vet att existensen av en tidspil redan måste förklaras av termodynamiska argument, dvs. det är ett kännetecken för universums speciella gränsförhållanden och inte i sig en fysiklag. Eftersom förmågan att skicka signaler endast in i framtiden och inte in i det förflutna är en del av definitionen av tidens pil, Det förefaller mig troligt att oförmågan att signalera in i det förflutna i ett retrokausalt universum också kan komma från speciella randvillkor, och behöver inte vara en fysiklag. Tidssymmetri verkar mindre sannolikt att uppstå på detta sätt (faktiskt, vi brukar använda termodynamik för att förklara hur den skenbara tidsasymmetri som vi observerar i naturen härrör från tidssymmetriska lagar, snarare än tvärtom)."

Som fysikerna förklarar ytterligare, Hela idén om retrokausalitet är så svår att acceptera eftersom vi aldrig ser den någon annanstans. Detsamma gäller handling-på-distans. Men det betyder inte att vi kan anta att ingen-retrokausalitet och ingen-handling-på-avstånd är sant för verkligheten i allmänhet. I vilket fall, fysiker vill förklara varför en av dessa egenskaper bara uppstår i vissa situationer som är långt borta från våra vardagliga observationer.

"Ett sätt att se på alla no-go-satser är i termer av finjusteringar, ", förklarade Leifer. "Du märker en egenskap hos teorins förutsägelser och du antar att denna egenskap också är sann för verkligheten. Sedan visar du att detta är oförenligt med att reproducera kvantteorins förutsägelser och du har ett no-go-teorem.

"Till exempel, i Bells sats, vi märker att vi inte kan skicka superluminala signaler så vi antar att det inte finns några superluminala influenser i verkligheten, men detta får oss i konflikt med de experimentellt observerade förutsägelserna. Lägg märke till att det egentligen inte är superluminala influenser i sig som är det största problemet. Om vi ​​kunde skicka signaler snabbare än ljus skulle vi helt enkelt säga, 'Jaja, Einstein hade fel. Relativitetsteorin är bara felaktig.' Och sedan fortsätta med fysik. Men det är inte vad som hände:ingen signalering håller fortfarande på nivån för det vi observerar, det är bara det att det finns en spänning mellan detta och vad som måste pågå i verkligheten för att reproducera det vi observerar. Om det finns superluminala influenser, varför kan vi då inte observera dem direkt? Det här är pusslet som ropar efter förklaring."

Implikationer och ifrågasättande antaganden

Om retrokausalitet är ett kännetecken för kvantvärlden, då skulle det få enorma konsekvenser för fysikers förståelse av kvantteorins grunder. Den kanske största betydelsen är implikationen för Bell-testerna, visar att avlägsna partiklar verkligen inte kan påverka varandra, utan snarare – som Einstein och andra trodde – att kvantteorin är ofullständig. Om de nya resultaten är sanna, då kan retrokausalitet vara en av de saknade bitarna som gör kvantteorin komplett.

"Jag tror att olika tolkningar [av kvantteori] har olika implikationer för hur vi kan gå tillväga för att generalisera standardkvantteori, ", sa Leifer. "Detta kan behövas för att konstruera den korrekta teorin om kvantgravitation, eller till och med för att lösa några problem inom högenergifysik med tanke på att enandet av de andra tre krafterna fortfarande är i luften i ljuset av LHC-resultaten. Så jag tror att framtida teorier som bygger på idéerna om befintliga tolkningar är där vi kan se en skillnad, men vi är visserligen ganska långt ifrån att ta reda på hur detta kan fungera för närvarande.

"Spekulativt, om det finns retrokausalitet i universum, då kan det vara så att det finns vissa epoker, kanske nära big bang, där det inte finns en bestämd kausalitetspil. Du kanske föreställer dig att en signatur från en sådan era kan dyka upp i kosmologiska data, som den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Dock, detta är väldigt spekulativt, och jag har ingen aning om vilka signaturer vi kan förvänta oss ännu."

Fysikerna har inga experiment för att testa retrokausalitet – men eftersom idén mer är en tolkning av observationer snarare än att göra nya observationer, Det som behövs mest är kanske inte ett test utan mer teoretiskt stöd.

"När det gäller direkta experimentella tester av retrokausalitet, statusen skiljer sig inte mycket från andra saker i grunderna för kvantmekaniken, ", sa Leifer. "Vi testar aldrig ett antagande isolerat, men alltid tillsammans med många andra, och sedan måste vi bestämma vilken som ska avvisas på andra grunder. Till exempel, du kanske tror att Bell-experiment visar att naturen är icke-lokal, men bara om du först har bestämt dig för att acceptera andra antaganden, såsom realism och ingen retrokausalitet. Så, du kan säga att Bell-experiment redan ger bevis för retrokausalitet om du inte är benägen att förkasta realism eller lokalitet. Liknande, den typ av experiment vi beskriver i vår artikel ger vissa bevis för retrokausalitet, men bara om du vägrar att förkasta de andra antagandena.

"Faktiskt, situationen är verkligen densamma Allt vetenskapliga experiment. Det finns en mängd antaganden om hur experimentapparaten fungerar som du måste acceptera för att dra slutsatsen att experimentet visar den effekt du letar efter. Det är just det, när det gäller quantum foundations, ämnet är mycket kontroversiellt, så vi är mer benägna att ifrågasätta grundläggande antaganden än vad vi är i fallet med, säga, en medicinsk läkemedelsprövning. Dock, sådana antaganden finns alltid där och det är alltid möjligt att ifrågasätta dem."

© 2017 Phys.org