Как будущее может повлиять на прошлое

Многие смотрят на эти эксперименты и приходят к выводу, что они бросают вызов «локальности» — интуиции, согласно которой удаленным объектам для взаимодействия необходим физический посредник. И действительно, таинственная связь между далекими частицами может быть одним из способов объяснить эти экспериментальные результаты.

Другие вместо этого думают, что эксперименты бросают вызов «реализму» — интуиции, что в основе нашего опыта лежит объективное положение вещей. В конце концов, эксперименты трудно объяснить только в том случае, если наши измерения считаются соответствующими чему-то реальному. В любом случае, многие физики согласны с тем, что называют «смертью от эксперимента» локального реализма.

Но что, если обе эти интуиции можно сохранить за счет третьей? Растущая группа экспертов считает, что вместо этого мы должны отказаться от предположения, что нынешние действия не могут повлиять на прошлые события. Этот вариант, называемый «ретропричинностью», претендует на спасение как локальности, так и реализма.

причинность

Что вообще такое причинно-следственная связь? Начнем с общеизвестной строчки: корреляция — это не причинно-следственная связь. Некоторые корреляции являются причинно-следственными, но не все. Какая разница?

Рассмотрим два примера. (1) Существует корреляция между стрелкой барометра и погодой – вот почему мы узнаем о погоде, глядя на барометр. Но никто не думает, что стрелка барометра вызывает погоду. (2) Употребление крепкого кофе коррелирует с учащением пульса. Здесь кажется правильным сказать, что первое вызывает второе.

Разница в том, что если мы «покачаем» стрелкой барометра, то не изменим погоду. Погода и стрелка барометра контролируются третьей вещью, атмосферным давлением — вот почему они коррелируют. Когда мы сами управляем стрелкой, мы разрываем связь с давлением воздуха, и корреляция исчезает.

Но если мы вмешаемся, чтобы изменить чье-то потребление кофе, мы, как правило, также изменим его частоту сердечных сокращений. Причинно-следственные корреляции — это те, которые остаются в силе, когда мы меняем одну из переменных.

В наши дни наука поиска этих надежных корреляций называется «причинным открытием». Это громкое название для простой идеи: выяснить, что еще меняется, когда мы перемещаем вещи вокруг себя.

В обычной жизни мы обычно считаем само собой разумеющимся, что последствия покачивания проявятся позже, чем само покачивание. Это настолько естественное предположение, что мы не замечаем, что делаем это.

Но ничто в научном методе не требует, чтобы это произошло, и от этого легко отказываются в фантастике. Точно так же в некоторых религиях мы молимся о том, чтобы наши близкие оказались среди выживших, скажем, после вчерашнего кораблекрушения. Мы воображаем, что то, что мы делаем сейчас, может повлиять на что-то в прошлом. Это ретропричинность.

Квантовая ретропричинность

Квантовая угроза локальности (то, что удаленным объектам для взаимодействия необходим физический посредник) проистекает из аргумента физика из Северной Ирландии Джона Белла в 1960-х годах.

Белл рассмотрел эксперименты, в которых два гипотетических физика, Алиса и Боб, получают частицы из общего источника. Каждый выбирает одну из нескольких настроек измерения, а затем записывает результат измерения. Повторяясь много раз, эксперимент генерирует список результатов.

Белл понял, что квантовая механика предсказывает, что в этих данных будут странные корреляции (теперь подтвержденные). Казалось, они подразумевают, что выбор Алисой сеттинга оказывает тонкое «нелокальное» влияние на результат Боба, и наоборот, даже если Алиса и Боб могут быть разделены световыми годами. Говорят, что аргумент Белла представляет угрозу специальной теории относительности Альберта Эйнштейна, которая является неотъемлемой частью современной физики.

Но это потому, что Белл предположил, что квантовые частицы не знают, с какими измерениями они столкнутся в будущем. Ретропричинные модели предполагают, что выбор измерений Алисы и Боба влияет на частицы обратно в источнике.

Это может объяснить странные корреляции, не нарушая специальной теории относительности.
В недавней работе мы предложили простой механизм странной корреляции — он включает знакомое статистическое явление, называемое смещением Берксона (см. наш популярный обзор здесь).

В настоящее время существует процветающая группа ученых, занимающихся квантовой ретропричинностью. Но это все еще невидимо для некоторых экспертов в более широкой области. Его путают с другой точкой зрения, называемой «супердетерминизмом».

Супердетерминизм

Супердетерминизм согласуется с ретропричинностью в том, что выбор измерения и основные свойства частиц каким-то образом коррелируют.

Но супердетерминизм трактует это как корреляцию между погодой и стрелкой барометра. Предполагается, что существует некая таинственная третья вещь — «супердетерминант», — который контролирует и коррелирует как наш выбор, так и частицы, подобно тому, как атмосферное давление контролирует и погоду, и барометр.

Таким образом, супердетерминизм отрицает, что выбор измерений — это то, что мы можем изменять по своему желанию, они предопределены. Свободные колебания нарушили бы корреляцию, как и в случае с барометром. Критики возражают, что таким образом супердетерминизм подрывает основные предположения, необходимые для проведения научных экспериментов. Они также говорят, что это означает отрицание свободы воли, потому что что-то контролирует и выбор измерения, и частицы.

Эти возражения неприменимы к ретрокаузальности. Ретрокаузалисты делают научные каузальные открытия обычным свободным, извилистым способом. Мы говорим, что это люди, отвергающие ретропричинность, забывают научный метод, если отказываются следовать свидетельствам туда, куда они ведут.

Доказательство

Каковы доказательства ретрокаузальности? Критики требуют экспериментальных доказательств, но это самое простое: соответствующие эксперименты только что получили Нобелевскую премию. Сложность заключается в том, чтобы показать, что ретропричинность дает лучшее объяснение этим результатам.

Мы упомянули возможность устранения угрозы специальной теории относительности Эйнштейна. На наш взгляд, это довольно важный намек, и удивительно, что на его изучение ушло так много времени. Путаница с супердетерминизмом, кажется, в основном виновата.

Кроме того, мы и другие утверждали, что ретропричинность лучше объясняет тот факт, что микромир частиц не заботится о разнице между прошлым и будущим.

Мы не имеем в виду, что все идет гладко. Самое большое беспокойство по поводу ретрокаузальности — это возможность посылать сигналы в прошлое, открывая двери парадоксам путешествий во времени.

Но чтобы создать парадокс, нужно измерить эффект в прошлом. Если наша молодая бабушка не может прочитать наш совет не выходить замуж за дедушку, а это значит, что нас не будет на свете, в этом нет парадокса. А в квантовом случае хорошо известно, что мы никогда не сможем измерить все сразу.

Тем не менее, предстоит проделать большую работу по разработке конкретных ретрокаузальных моделей, обеспечивающих выполнение этого ограничения, заключающегося в том, что вы не можете измерить все сразу. Итак, мы закончим осторожным выводом. На данном этапе именно ретропричинность держит ветер в своих парусах, так что спешите к самому большому призу из всех: спасению локальности и реализма от «смерти от эксперимента».

Хью Прайс, почетный научный сотрудник Тринити-колледжа Кембриджского университета, и Кен Уортон, профессор физики и астрономии Государственного университета Сан-Хосе