量子引力能否逆转因果关系

为了说明奇异的量子现象,奥地利物理学家薛定谔提出了一个著名的佯谬:把一只猫放进一个封闭的盒子里,然后把这个盒子连接到一个装置,其中包含一个原子核和毒气设施。这个原子核有50%的可能性发生衰变。衰变时发射出一个粒子,这个粒子将会触发毒气设施的开关,从而杀死那只猫。

原子核的衰变符合量子力学的原理:当没有进行观察时,这个原子核既是“已衰变”,又是“未衰变”,状态不确定。这个量子力学规律可把那只猫弄惨了:只要不打开盒子去看它,那只可怜的猫就应该是处在“既死又活,非死非活”的诡异状态。

这种情况在任何量子引力理论中都是不可避免的,量子引力是一个仍然模糊的物理学领域,它试图将阿尔伯特爱因斯坦的广义相对论与量子力学的运作结合起来。在一篇新论文中,科学家通过想象一个巨大行星附近的星舰来创造两者的混搭,这个行星质量减慢了时间。他们的结论是,星舰可能会发现自己处于一种因果关系逆转的状态:一次事件最终可能导致另一次事件发生在它之前。

研究报告的共同作者,史蒂文斯理工学院量子科学与工程中心的物理学家伊戈尔皮科夫斯基说:“人们可以设计出这种情况,其中时间顺序或因果关系被反转或不反转。”新泽西州。“一旦我们有完整的量子引力理论,我们就会发生这种情况。”

量子时间

着名的薛定谔猫的思想实验要求观众想象一个装有猫和放射性粒子的盒子,一旦腐烂,就会杀死不幸的猫科动物。根据量子叠加的原理,猫的生存或死亡在测量之前同样可能 – 所以在盒子被打开之前,猫同时活着并死亡。在量子力学中,叠加意味着粒子可以同时存在于多个状态,就像薛定谔的猫一样。

8月21日发表在“ 自然通讯 ”杂志上的新思想实验将量子叠加原理与爱因斯坦的广义相对论结合起来。广义相对论说,巨型物体的质量可以减缓时间。皮科夫斯基说,这是真实可衡量的。一个宇航员在地球轨道上运行的时间比他或她在地球上的双胞胎更快。(这也是为什么陷入黑洞会是一次非常渐进的经历。)

因此,如果一个未来主义的宇宙飞船靠近一个巨大的行星,它的机组人员将会比驻扎在远处的同伴太空船中的人员稍微慢一些。现在,投入一些量子力学,你可以想象这个行星在两个太空船附近和远处同时叠加的情况。

时间变得怪异

在这种两艘船在不同时间轴上经历时间的叠加情景中,因果关系可能会变得不稳定。例如,比如要求船只进行训练任务,他们互相射击并躲避对方的火力,充分了解导弹发射和拦截其位置的时间。如果附近没有大规模的行星弄乱时间的流动,这是一个简单的练习。另一方面,如果那个巨大的行星存在并且船长没有考虑到时间的减慢,那么船员可能会躲闪太晚并被摧毁。

随着行星的叠加,同时近处和远处,不可能知道船只是否会躲闪太晚并相互摧毁,或者它们是否会移动并生存。Pikovski说,更重要的是,因果可以逆转。想象一下两个与因果关联的事件,A和B.

皮科夫斯基说:“A和B可以相互影响,但在一种情况下A在B之前,而在另一种情况下B在A之前处于叠加状态”。这意味着A和B同时是彼此的因果关系。幸运的是,对于这些想象中的宇宙飞船的可能混乱的人员,皮科夫斯基说,他们将有一种数学方法来分析彼此的传输,以确认它们处于叠加状态。

显然,在现实生活中,行星不会无缘无故地绕着银河系移动。但是,这项思想实验可能对量子计算具有实际意义,即使没有制定出完整的量子引力理论,皮科夫斯基说。通过在计算中使用叠加,量子计算系统可以同时将过程评估为原因和效果。

“量子计算机可能能够将其用于更有效的计算,”他说。