Kvantemekanik: Sådan kan fremtiden påvirke fortiden

I 2022 blev Nobelprisen i fysik tildelt tre forskere for eksperimentelt forskningsarbejde, der viser, at kvanteverdenen kan gøre op med mange af vores intuitions grundlæggende forestillinger om, hvordan vores univers fungerer.

Mange ser disse eksperimenter og konkluderer, at de udfordrer 'lokalitet' – vores intuitionen om, at fjerne objekter har brug for en fysisk formidler for at interagere. Faktisk ville en mystisk forbindelse mellem fjerne, adskilte partikler være en måde at forklare disse eksperimentelle resultater på.

Andre mener i stedet, at eksperimenterne udfordrer 'realismen' – vores intuitive forestilling om, at der er en objektiv tilstand, der ligger til grund for vores oplevelse.

Forsøgene er jo kun svære at forklare, hvis vores målinger menes at svare til noget virkeligt. Uanset hvad, er mange fysikere enige om, hvad der er blevet kaldt lokal-realismens 'død ved eksperiment'.

Men hvad hvis begge disse intuitioner kan reddes på bekostning af en tredje?

En voksende gruppe af forskere mener, at vi i stedet bør opgive antagelsen om, at nuværende handlinger ikke kan påvirke tidligere hændelser.

Teorien, som hedder retrokausalitet, kan angiveligt redde både lokalitet og realisme.

Kausalitet

Hvad er kausalitet egentlig? Lad os starte med den påstand, alle kender: Korrelation er ikke det samme som kausalitet. Nogle korrelationer har en kausal sammenhæng, men ikke alle. Hvad er forskellen?

Lad os tage to eksempler:

• Der er en korrelation (sammenhæng) mellem en nål i et barometer og vejret - det er derfor, vi kan lære noget om vejret ved at se på barometeret. Men ingen tror, at barometernålen er årsag til vejret.
• At drikke stærk kaffe er korreleret med en forhøjet puls. Her forekommer det rigtigt at sige, at det første forårsager det andet.

Forskellen er, at vi ikke ændrer på vejret, selvom vi skubber lidt til barometernålen. Vejret og barometernålen styres begge af en tredje ting - det atmosfæriske tryk - det er derfor, de er korrelerede. Når vi selv styrer nålen, bryder vi forbindelsen til lufttrykket, og korrelationen forsvinder.

Men hvis vi griber ind for at ændre en persons indtag af kaffe, ændrer vi normalt også deres puls. Kausale sammenhænge er dem, der stadig holder stik, når vi ændrer én af variablerne.

Kausal opdagelse

I dag kaldes forskning efter disse robuste korrelationer 'kausal opdagelse'. Det er et stort navn for en helt enkel idé: At afdække, hvad der ellers ændrer sig, når vi ændrer lidt på tingene omkring os.

I dagliglivet tager vi det normalt for givet, at effekterne af en ændring viser sig senere end selve ændringen. Det er en så naturlig antagelse, at vi ikke bemærker, at vi gør det.

Men intet i den videnskabelige metode kræver, at det sker, og det bliver let overset i fantasy-fiktion. Hvis vi er religiøse, kan vi for eksempel bede til gud om, at vores kære er blandt de overlevende fra gårsdagens skibbrud.

Vi forestiller os, at noget, vi gør nu, kan påvirke noget i fortiden. Det er retrokausalitet.

Kvante-retrokausalitet

Kvantetruslen mod lokalitet (at fjerne objekter har brug for en fysisk formidler for at interagere) stammer fra en teori udtænkt af den irske fysiker John Bell i 1960'erne.

John Bell overvejede eksperimenter, hvor to hypotetiske fysikere - Alice og Bob - hver modtager partikler fra en fælles kilde.

Hver vælger én af flere måleindstillinger og registrerer derefter et måleresultat. Gentaget mange gange genererer eksperimentet en liste over resultater.

John Bell indså, at kvantemekanikken forudsiger, at der vil være mærkelige korrelationer (nu bekræftet) i disse data.

De lod til at indikerer, at Alices valg af indstilling har en subtil, 'ikke-lokal' effekt på Bobs resultat, og omvendt - selvom Alice og Bob måske er lysår fra hinanden.

Trussel mod Albert Einsteins teori

John Bells argument siges at udgøre en trussel mod Albert Einsteins særlige relativitetsteori, som er en væsentlig del af den moderne fysik.

Men det er fordi John Bell antog, at kvantepartikler ikke ved, hvilke målinger de kommer til at møde i fremtiden.

Retrokausale modeller foreslår, at Alices og Bobs valg påvirker partiklerne ved kilden. Det kan forklare de mærkelige sammenhænge uden at true den særlige relativitetsteori.

Vores seneste forskningsarbejde foreslår en simpel mekanisme for den mærkværdige sammenhæng - den involverer et velkendt statistisk fænomen kaldet Berksons paradoks (se vores opsummering her).

I dag arbejder en gruppe forskere med kvanteretrokausalitet. Men det er stadig ikke synligt for en del eksperter i det bredere felt og bliver forvekslet med en anden opfattelse kaldet 'superdeterminisme'.

Superdeterminisme

Superdeterminismen er enig med retrokausaliteten i, at målevalg og partiklernes underliggende egenskaber på en eller anden måde er korrelerede.

Men superdeterminisme behandler det som sammenhængen mellem vejret og barometernålen ved at antage, at der er en eller anden mystisk tredje ting - en 'superbestemmer' - der kontrollerer og korrelerer både vores valg og partiklerne, den måde atmosfærisk tryk kontrollerer både vejret og barometeret.

Så superdeterminisme benægter, at målingsvalg er ting, vi frit kan ændre efter forgodtbefindende, de er forudbestemte. Hvis vi frit kunne styre, ville sammenhængen blive ødelagt, ligesom i barometertilfældet.

Kritikere hævder, at superdeterminisme således underbyder kerneantagelser, der er nødvendige for at udføre videnskabelige eksperimenter. De siger også, at det betyder, at man nægter den frie vilje, fordi et eller andet styrer både målevalg og partikler.

Disse indsigelser gælder ikke for retrokausalitet. Retrokausalister foretager videnskabelige opdagelser på den sædvanlige frie, tilfældige måde.

Vi siger, at det er folk, der afviser retrokausalitet, der glemmer den videnskabelige metode, hvis de nægter at følge beviserne, uanset hvor de fører hen.

Evidens

Hvad er beviset for retrokausalitet? Kritikere beder om eksperimentelle beviser, men det er egentlig nemt nok: De relevante eksperimenter har netop vundet en Nobelpris.

Den vanskelige del er at vise, at retrokausalitet giver den bedste forklaring på disse resultater.

Vi har nævnt potentialet for at fjerne truslen mod Einsteins særlige relativitetsteori. Det er efter vores mening et ret stort fingerpeg, og det er overraskende, at det har taget så lang tid at udforske det. Forvirringen omkring superdeterminisme lader i stor udstrækning til at være årsagen.

Derudover har vi og andre argumenteret for, at retrokausalitet giver bedre mening i det faktum, at partiklernes mikroverden er ligeglad med forskellen mellem fortid og fremtid.

Vi kan aldrig kan måle alt på én gang

Vi mener ikke, at det hele er lige ud ad landevejen. Den største bekymring om retrokausalitet er muligheden for at sende signaler til fortiden og åbne døren til tidsrejsens paradokser.

Men for at skabe et paradoks skal effekten i fortiden måles.

Hvis vores bedstemor i sin ungdom ikke kan læse vores advarsel om at gifte sig med vores bedstefar, så at vi ikke ville blive født, er der intet paradoks. Og i kvantetilfældet er det velkendt, at vi aldrig kan måle alt på én gang.

Alligevel arbejdes der på at udtænke konkrete retrokausale modeller, der håndhæver denne begrænsning, at vi ikke kan måle alt på én gang.

Så vi slutter med en forsigtig konklusion. På dette stadie er det retrokausalitet, der har vind i sejlene med kurs direkte mod den største præmie af alle: At redde lokalitet og realisme fra 'død ved eksperiment'.

Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation og er oversat af Stephanie Lammers-Clark.