Как неопределената причинно-следствена връзка води до теория на квантовата гравитация

Експериментите показват, че в странния свят на субатомните частици следствието не винаги следва причината, което дава нови сведения за квантовия произход на пространство-времето.

Изпускате чаша и тя се разбива. Натискам ключа за осветлението и крушката светва. Следствието следва причината - това е твърдо и неотменимо правило на Вселената. Освен може би на едно фундаментално ниво. Защото когато имаме работа с електроните, които стоят зад работата на ключа за осветлението, и с атомите в крушката, които превръщат електрическата енергия в светлина, причинно-следствената връзка се оказва много по-размита.

През 2017 г. екип от Виенския университет в Австрия описа експеримент, който демонстрира, че в квантовата сфера на атомите и частиците е невъзможно да се каже кои наблюдения са следствие и кои са причина. По думите на изследователите, направили експеримента, това е "първата категорична демонстрация на процес с неопределена причинно-следствена последователност".

И все пак по-широката изследователска общност не изпусна чашите си за кафе. Напротив, това е една радостна новина поне за някои от тези, които се опитват да разберат откъде идва пространство-времето. За тях една квантова теория на гравитацията, в която пространство-времето би било възникващо свойство на по-фундаментални съставки на Вселената, може би задължително няма да има категоричната еднопосочна причинност на ежедневието.

Пространство-времето, както е описано в теориите за относителността на Алберт Айнщайн, вече има известна неяснота, когато става въпрос за определяне на реда на събитията. Хората, които се движат в пространството и времето по различни начини, имат различни "референтни рамки" и тези, които се движат по различни начини, невинаги са на едно и също мнение за това дали събитие А се е случило преди събитие Б.

Това обаче не позволява нарушаване на причинно-следствената връзка. Размиването на "преди" и "след" се случва само на толкова големи разстояния, че тези области от пространството не могат да си влияят една на друга поради ограничението на скоростта на светлината.

"Ако едното събитие може да изпрати светлинен сигнал до другото, тогава няма референтна рамка, в която човек би могъл да обърка реда им", обяснява Джулия Рубино (Giulia Rubino), сега в Бристолския университет, Великобритания, която е ръководител на работата през 2017 г.

"Неопределената причинност" обаче е възможна в миниатюрния квантов свят, защото правилата, които управляват поведението на атомите, електроните и фотоните светлина, позволяват явление, наречено "суперпозиция". При него една система от такива обекти може да съществува едновременно в две или повече състояния - дори ако здравият разум би казал, че е невъзможно тези състояния да съществуват едновременно. Така експериментът от 2017 г. включва създаването на суперпозиция "А причинява Б" и "Б причинява А", когато се работи с фотони или частици светлина, които сами по себе си са в суперпозиция.

Това не е смущаващо за физиците, тъй като фундаменталните закони на квантовата физика не определят посока на времето, отбелязва Хю Прайс (Huw Price) от Университета в Кеймбридж: "Физиката не се интересува от разликата между минало и бъдеще."

Обратна причинно-следствена връзка

Следователно има възможност за "обратна симетрия на времето", при която частиците се държат по един и същи начин, ако накарате времето да тече в обратна посока. Физиците не изключват и възможността за обратна причинно-следствена връзка, или ретрокаузалност", при която светенето на електрическа крушка може да предизвика включването на нейния ключ.

Някои теоретици възприемат неопределената причинност защото, ако пространство-времето е фундаментално квантово механично - както мнозина смятат, че трябва да бъде - то и гравитацията трябва по някакъв начин да бъде квантово механична. За да разберем как изглежда тази квантова гравитация, Люсиен Харди (Lucien Hardy) от Института за теоретична физика "Периметър" във Ватерло, Канада, предлага да се комбинират характерните черти на Общата теория на относителността и квантовата механика: съответно пластичността на пространството и времето и суперпозициите от едновременни възможности. Ако се направи това, смята изследователят, традиционните представи за фиксирано време и причинно-следствена връзка трябва да изчезнат.

"Изглежда, че някои ситуации, като например неопределеният причинно-следствен ред, би трябвало да са естествени в квантовата гравитация", посочва Каслав Брукнер (Caslav Brukner) от Института за квантова оптика и квантова информация във Виена.

Справка: 

Inferring work by quantum superposing forward and time-reversal evolutions; Giulia Rubino, Gonzalo Manzano, Lee A. Rozema, Philip Walther, Juan M. R. Parrondo, Časlav Brukner; https://arxiv.org/abs/2107.02201 

Giulia Rubino et al. ,Experimental verification of an indefinite causal order.Sci. Adv.3,e1602589(2017). DOI: 10.1126/sciadv.1602589

Източник: How indefinite causality could lead us to a theory of quantum gravity, New Scientist

Още по темата

24/03/2023

Физика

Последната теорема на Стивън Хокинг преобръща времето и причинността

21/08/2016

Физика

Нов квантов фокус: Редът на причина и следствие е неопределен