Το Quantum Mischief ξαναγράφει τους νόμους της αιτίας και του αποτελέσματος

Η Αλίκη και ο Μπομπ, οι πρωταγωνιστές τόσων πειραμάτων σκέψης, μαγειρεύουν δείπνο όταν ακολουθούν ατυχίες. Η Αλίκη πέφτει κατά λάθος ένα πιάτο. ο ήχος τρομάζει τον Μπομπ, ο οποίος καίγεται στη σόμπα και φωνάζει. Σε μια άλλη εκδοχή των γεγονότων, ο Μπομπ καίγεται και φωνάζει, αναγκάζοντας την Αλίκη να πέσει ένα πιάτο.

Την τελευταία δεκαετία, οι κβαντικοί φυσικοί έχουν εξερευνήσει τις συνέπειες μιας παράξενης συνειδητοποίησης:Κατ' αρχήν, και οι δύο εκδοχές της ιστορίας μπορούν να συμβούν ταυτόχρονα. Δηλαδή, τα γεγονότα μπορούν να συμβούν με αόριστη αιτιακή σειρά, όπου και το "Α προκαλεί το Β" και το "Β προκαλεί το Α" είναι ταυτόχρονα αληθές.

«Ακούγεται εξωφρενικό», παραδέχτηκε ο Časlav Brukner, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης.

Η πιθανότητα προκύπτει από το κβαντικό φαινόμενο γνωστό ως υπέρθεση, όπου τα σωματίδια διατηρούν όλες τις πιθανές πραγματικότητες ταυτόχρονα μέχρι τη στιγμή που μετρώνται. Σε εργαστήρια στην Αυστρία, την Κίνα, την Αυστραλία και αλλού, οι φυσικοί παρατηρούν αόριστη αιτιακή σειρά βάζοντας ένα σωματίδιο φωτός (που ονομάζεται φωτόνιο) σε μια υπέρθεση δύο καταστάσεων. Στη συνέχεια, υποβάλλουν έναν κλάδο της υπέρθεσης στην επεξεργασία Α ακολουθούμενη από τη διεργασία Β και τον άλλο κλάδο στον Β ακολουθούμενο από τον Α. Σε αυτή τη διαδικασία, γνωστή ως κβαντικός διακόπτης, το αποτέλεσμα του Α επηρεάζει τι συμβαίνει στο Β και αντίστροφα. το φωτόνιο βιώνει και τις δύο αιτιακές τάξεις ταυτόχρονα.

Τα τελευταία πέντε χρόνια, μια αυξανόμενη κοινότητα κβαντικών φυσικών εφαρμόζει τον κβαντικό διακόπτη σε επιτραπέζια πειράματα και διερευνά τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η απροσδιόριστη αιτιώδης τάξη για τους κβαντικούς υπολογιστές και την επικοινωνία. Είναι «πραγματικά κάτι που θα μπορούσε να είναι χρήσιμο στην καθημερινή ζωή», είπε η Τζούλια Ρουμπίνο, ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ που ηγήθηκε της πρώτης πειραματικής επίδειξης του κβαντικού διακόπτη το 2017.

Αλλά οι πρακτικές χρήσεις του φαινομένου απλώς κάνουν τις βαθιές επιπτώσεις πιο έντονες.

Οι φυσικοί έχουν από καιρό αντιληφθεί ότι η συνήθης εικόνα των γεγονότων που εκτυλίσσονται ως μια αλληλουχία αιτιών και αποτελεσμάτων δεν αποτυπώνει τη θεμελιώδη φύση των πραγμάτων. Λένε ότι αυτή η αιτιολογική προοπτική μάλλον πρέπει να φύγει αν θέλουμε να καταλάβουμε ποτέ την κβαντική προέλευση της βαρύτητας, του χώρου και του χρόνου. Αλλά μέχρι πρόσφατα, δεν υπήρχαν πολλές ιδέες για το πώς θα μπορούσε να λειτουργήσει η μετα-αιτιακή φυσική. «Πολλοί άνθρωποι πιστεύουν ότι η αιτιότητα είναι τόσο βασική στην κατανόησή μας για τον κόσμο που αν αποδυναμώσουμε αυτή την αντίληψη δεν θα μπορούσαμε να κάνουμε συνεκτικές, ουσιαστικές θεωρίες», είπε ο Brukner, ο οποίος είναι ένας από τους ηγέτες στη μελέτη της αόριστης αιτιότητας.

Αυτό αλλάζει καθώς οι φυσικοί εξετάζουν τα νέα πειράματα κβαντικού διακόπτη, καθώς και σχετικά πειράματα σκέψης στα οποία η Αλίκη και ο Μπομπ αντιμετωπίζουν την αιτιακή αοριστία που δημιουργείται από την κβαντική φύση της βαρύτητας. Η λογιστική για αυτά τα σενάρια ανάγκασε τους ερευνητές να αναπτύξουν νέους μαθηματικούς φορμαλισμούς και τρόπους σκέψης. Με τα αναδυόμενα πλαίσια, "μπορούμε να κάνουμε προβλέψεις χωρίς να έχουμε σαφώς καθορισμένη αιτιότητα", είπε ο Brukner.

Συσχέτιση, όχι αιτιώδης συνάφεια

Η πρόοδος έχει αυξηθεί γρηγορότερα πρόσφατα, αλλά πολλοί επαγγελματίες εντοπίζουν την προέλευση αυτής της γραμμής επίθεσης στο πρόβλημα της κβαντικής βαρύτητας στην εργασία πριν από 16 χρόνια από τον Lucien Hardy, έναν Βρετανο-Καναδό θεωρητικό φυσικό στο Perimeter Institute for Theoretical Physics στο Waterloo του Καναδά. «Στην περίπτωσή μου», είπε ο Μπρούκνερ, «όλα ξεκίνησαν με το χαρτί του Λούσιεν Χάρντι».

Ο Χάρντι ήταν περισσότερο γνωστός εκείνη την εποχή για μια εννοιολογική προσέγγιση που έγινε διάσημη από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν και την εφαρμογή της στην κβαντομηχανική.

Ο Αϊνστάιν έφερε επανάσταση στη φυσική όχι σκεπτόμενος τι υπάρχει στον κόσμο, αλλά εξετάζοντας τι μπορούν να μετρήσουν τα άτομα. Συγκεκριμένα, φανταζόταν ανθρώπους σε κινούμενα τρένα να κάνουν μετρήσεις με χάρακες και ρολόγια. Χρησιμοποιώντας αυτήν την «επιχειρησιακή» προσέγγιση, μπόρεσε να συμπεράνει ότι ο χώρος και ο χρόνος πρέπει να είναι σχετικοί.

Το 2001, ο Χάρντι εφάρμοσε την ίδια προσέγγιση στην κβαντική μηχανική. Ανακατασκεύασε όλη την κβαντική θεωρία ξεκινώντας από πέντε λειτουργικά αξιώματα.

Στη συνέχεια ξεκίνησε να το εφαρμόσει σε ένα ακόμη μεγαλύτερο πρόβλημα:το 80χρονο πρόβλημα του πώς να συμφιλιωθεί η κβαντική μηχανική και η γενική σχετικότητα, την επική θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν. «Με οδηγεί αυτή η ιδέα ότι ίσως ο λειτουργικός τρόπος σκέψης για την κβαντική θεωρία μπορεί να εφαρμοστεί στην κβαντική βαρύτητα», μου είπε ο Χάρντι στο Zoom αυτόν τον χειμώνα.

Το επιχειρησιακό ερώτημα είναι:Στην κβαντική βαρύτητα, τι μπορούμε, καταρχήν, να παρατηρήσουμε; Ο Χάρντι σκέφτηκε το γεγονός ότι η κβαντική μηχανική και η γενική σχετικότητα έχουν το καθένα ένα ριζικό χαρακτηριστικό. Η κβαντομηχανική είναι περίφημα ακαθόριστη. οι υπερθέσεις του επιτρέπουν ταυτόχρονες δυνατότητες. Η γενική σχετικότητα, εν τω μεταξύ, υποδηλώνει ότι ο χώρος και ο χρόνος είναι ελατός. Στη θεωρία του Αϊνστάιν, ογκώδη αντικείμενα όπως η Γη τεντώνουν τη χωροχρονική «μετρική» - ουσιαστικά την απόσταση μεταξύ των σημαδιών κατακερματισμού σε έναν χάρακα και τη διάρκεια μεταξύ των κροτώνων των ρολογιών. Όσο πιο κοντά βρίσκεστε σε ένα τεράστιο αντικείμενο, για παράδειγμα, τόσο πιο αργά χτυπάει το ρολόι σας. Στη συνέχεια, η μέτρηση καθορίζει τον "κώνο φωτός" ενός κοντινού συμβάντος — την περιοχή του χωροχρόνου που μπορεί να επηρεάσει αιτιολογικά το συμβάν.

Όταν συνδυάσετε αυτά τα δύο ριζικά χαρακτηριστικά, είπε ο Χάρντι, δύο ταυτόχρονες κβαντικές δυνατότητες θα τεντώσουν τη μέτρηση με διαφορετικούς τρόπους. Οι φωτεινοί κώνοι των γεγονότων γίνονται αόριστοι — και έτσι, η ίδια η αιτιότητα.

Οι περισσότερες εργασίες για την κβαντική βαρύτητα εξαλείφουν ένα από αυτά τα χαρακτηριστικά. Μερικοί ερευνητές, για παράδειγμα, προσπαθούν να χαρακτηρίσουν τη συμπεριφορά των «γκραβιτονίων», των κβαντικών μονάδων βαρύτητας. Αλλά οι ερευνητές έχουν τα γκραβιτόνια να αλληλεπιδρούν σε ένα σταθερό χρόνο φόντου. «Είμαστε τόσο συνηθισμένοι να σκεφτόμαστε ότι ο κόσμος εξελίσσεται στο χρόνο», σημείωσε ο Χάρντι. Θεωρεί, ωστόσο, ότι η κβαντική βαρύτητα θα κληρονομήσει σίγουρα το ριζικό χαρακτηριστικό της γενικής σχετικότητας και θα στερείται σταθερού χρόνου και σταθερής αιτιότητας. «Έτσι, η ιδέα είναι πραγματικά να ρίξουμε προσοχή στον άνεμο», είπε ο ήρεμος, σοβαρός φυσικός, «και πραγματικά να αγκαλιάσουμε αυτήν την άγρια ​​κατάσταση όπου δεν έχετε σαφή αιτιώδη δομή».

Με το Zoom, ο Χάρντι χρησιμοποίησε έναν ειδικό προβολέα για να κινηματογραφήσει έναν πίνακα, όπου σκιαγράφησε διάφορα πειράματα σκέψης, ξεκινώντας με ένα που τον βοήθησε να δει πώς να περιγράφει τα δεδομένα εντελώς χωρίς αναφορά στην αιτιακή σειρά των γεγονότων.

Φαντάστηκε μια σειρά από ανιχνευτές να παρασύρονται στο διάστημα. Παίρνουν δεδομένα — καταγράφουν, ας πούμε, το πολωμένο φως που εκτοξεύεται από ένα κοντινό αστέρι που εκρήγνυται ή σουπερνόβα. Κάθε δευτερόλεπτο, κάθε ανιχνευτής καταγράφει τη θέση του, τον προσανατολισμό του πολωτή του (μια συσκευή όπως τα πολωμένα γυαλιά ηλίου που είτε αφήνει ένα φωτόνιο να περάσει είτε το εμποδίζει ανάλογα με την πόλωσή του) και αν ένας ανιχνευτής, που βρίσκεται πίσω από τον πολωτή, ανιχνεύει ένα φωτόνιο ή όχι . Ο ανιχνευτής μεταδίδει αυτά τα δεδομένα σε έναν άνθρωπο σε ένα δωμάτιο, ο οποίος τα εκτυπώνει σε μια κάρτα. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, η πειραματική λειτουργία τελειώνει. ο άντρας στο δωμάτιο ανακατεύει όλα τα φύλλα από όλα τα probes και σχηματίζει μια στοίβα.

Στη συνέχεια, οι ανιχνευτές περιστρέφουν τους πολωτές τους και κάνουν μια νέα σειρά μετρήσεων, δημιουργώντας μια νέα στοίβα από κάρτες και επαναλαμβάνουν τη διαδικασία, έτσι ώστε ο άνδρας στο δωμάτιο να έχει τελικά πολλές ανακατεμένες στοίβες μετρήσεων εκτός σειράς. «Η δουλειά του είναι να προσπαθήσει να βγάλει κάποιο νόημα από τα χαρτιά», είπε ο Χάρντι. Ο άνδρας θέλει να επινοήσει μια θεωρία που να αντιπροσωπεύει όλες τις στατιστικές συσχετίσεις στα δεδομένα (και, με αυτόν τον τρόπο, να περιγράφει τον σουπερνόβα) χωρίς καμία πληροφορία σχετικά με τις αιτιώδεις σχέσεις ή τη χρονική σειρά των δεδομένων, καθώς αυτές μπορεί να μην είναι θεμελιώδεις πτυχές της πραγματικότητας.

Πώς μπορεί ο άντρας να το κάνει αυτό; Θα μπορούσε πρώτα να τακτοποιήσει τα χαρτιά ανά τοποθεσία, μοιράζοντας φύλλα από κάθε στοίβα, έτσι ώστε αυτά που σχετίζονται με διαστημόπλοια σε μια συγκεκριμένη περιοχή του διαστήματος να πηγαίνουν στην ίδια στοίβα. Κάνοντας αυτό για κάθε στοίβα, θα μπορούσε να αρχίσει να παρατηρεί συσχετισμούς μεταξύ των πασσάλων. Θα μπορούσε να σημειώσει ότι κάθε φορά που ανιχνεύεται ένα φωτόνιο σε μια περιοχή, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα ανίχνευσης σε μια άλλη περιοχή, εφόσον οι πολωτές έχουν την ίδια γωνία και στις δύο θέσεις. (Ένας τέτοιος συσχετισμός θα σήμαινε ότι το φως που διέρχεται από αυτές τις περιοχές τείνει να μοιράζεται μια κοινή πόλωση.) Μπορεί στη συνέχεια να συνδυάσει τις πιθανότητες σε εκφράσεις που σχετίζονται με μεγαλύτερες σύνθετες περιοχές και με αυτόν τον τρόπο, θα μπορούσε να «δημιουργήσει μαθηματικά αντικείμενα για όλο και μεγαλύτερες περιοχές από μικρότερες περιοχές», είπε ο Χάρντι.

Αυτό που συνήθως πιστεύουμε ως αιτιώδεις σχέσεις — όπως τα φωτόνια που ταξιδεύουν από τη μια περιοχή του ουρανού σε μια άλλη, που συσχετίζουν τις μετρήσεις που έγιναν στην πρώτη περιοχή με τις μετρήσεις που έγιναν αργότερα στη δεύτερη περιοχή — λειτουργούν, στον φορμαλισμό του Χάρντι, όπως η συμπίεση δεδομένων. Υπάρχει μείωση του όγκου των πληροφοριών που απαιτούνται για την περιγραφή ολόκληρου του συστήματος, καθώς ένα σύνολο πιθανοτήτων καθορίζει ένα άλλο.

Ο Χάρντι ονόμασε τον νέο φορμαλισμό του «αιτιακό» πλαίσιο, όπου η αιτιατική είναι το μαθηματικό αντικείμενο που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των πιθανοτήτων των αποτελεσμάτων οποιασδήποτε μέτρησης σε οποιαδήποτε περιοχή. Εισήγαγε το γενικό πλαίσιο σε μια πυκνή εργασία 68 σελίδων το 2005, η οποία έδειξε πώς να διατυπωθεί η κβαντική θεωρία στο πλαίσιο (ουσιαστικά μειώνοντας τις γενικές εκφράσεις πιθανοτήτων στη συγκεκριμένη περίπτωση αλληλεπίδρασης κβαντικών δυαδικών ψηφίων).

Ο Χάρντι πίστευε ότι θα έπρεπε να είναι δυνατό να διατυπωθεί η γενική σχετικότητα και στο πλαίσιο της αιτίας, αλλά δεν μπορούσε να δει πώς να προχωρήσει. Εάν μπορούσε να το διαχειριστεί αυτό, τότε, έγραψε σε άλλη εργασία, «το πλαίσιο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή μιας θεωρίας της κβαντικής βαρύτητας».

Ο Κβαντικός διακόπτης

Λίγα χρόνια αργότερα, στην Παβία της Ιταλίας, ο θεωρητικός της κβαντικής πληροφορίας Τζούλιο Τσιριμπέλα και τρεις συνάδελφοί του σκέφτονταν ένα διαφορετικό ερώτημα:Τι είδους υπολογισμοί είναι δυνατοί; Είχαν στο μυαλό τους το κανονικό έργο του θεωρητικού επιστήμονα υπολογιστών Alonzo Church. Ο Church ανέπτυξε ένα σύνολο επίσημων κανόνων για την κατασκευή συναρτήσεων — μαθηματικές μηχανές που λαμβάνουν μια είσοδο και παράγουν μια έξοδο. Ένα εντυπωσιακό χαρακτηριστικό του εγχειριδίου κανόνων της Εκκλησίας είναι ότι η είσοδος μιας συνάρτησης μπορεί να είναι μια άλλη συνάρτηση.

Οι τέσσερις Ιταλοί φυσικοί αναρωτήθηκαν:Τι είδους λειτουργίες συναρτήσεων θα μπορούσαν να είναι δυνατές γενικά, πέρα ​​από αυτό που ήταν ικανοί επί του παρόντος οι υπολογιστές; Κατέληξαν σε μια διαδικασία που περιλαμβάνει δύο λειτουργίες, την Α και τη Β, που συναρμολογούνται σε μια νέα λειτουργία. Αυτή η νέα λειτουργία - αυτό που ονόμασαν κβαντικός διακόπτης - είναι μια υπέρθεση δύο επιλογών. Σε έναν κλάδο της υπέρθεσης, η είσοδος της συνάρτησης περνά από το Α, μετά το Β. Στον άλλο, περνά από το Β και μετά το Α. Ήλπιζαν ότι ο κβαντικός διακόπτης «θα μπορούσε να είναι η βάση ενός νέου μοντέλου υπολογισμού, εμπνευσμένο από το ένα της Εκκλησίας», μου είπε η Τσιριμπέλα.

Στην αρχή, η επανάσταση σκόρπισε. Οι φυσικοί δεν μπορούσαν να αποφασίσουν εάν ο κβαντικός διακόπτης ήταν βαθύς ή τετριμμένος, ή αν ήταν εφικτός ή απλώς υποθετικός. Το έγγραφό τους πήρε τέσσερα χρόνια για να δημοσιευτεί.

Όταν τελικά κυκλοφόρησε το 2013, οι ερευνητές άρχισαν να βλέπουν πώς θα μπορούσαν να κατασκευάσουν κβαντικούς διακόπτες.

Θα μπορούσαν, για παράδειγμα, να πυροβολήσουν ένα φωτόνιο προς μια οπτική συσκευή που ονομάζεται διαχωριστής δέσμης. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, το φωτόνιο έχει 50-50 πιθανότητες να μεταδοθεί ή να ανακλαστεί, και έτσι κάνει και τα δύο.

Η μεταδιδόμενη εκδοχή του φωτονίου στρέφεται προς μια οπτική συσκευή που περιστρέφει την κατεύθυνση πόλωσης του φωτός με κάποιο καλά καθορισμένο τρόπο. Στη συνέχεια, το φωτόνιο συναντά μια παρόμοια συσκευή που το περιστρέφει με διαφορετικό τρόπο. Ας ονομάσουμε αυτές τις συσκευές A και B, αντίστοιχα.

Εν τω μεταξύ, η ανακλώμενη εκδοχή του φωτονίου συναντά πρώτα το Β και μετά το Α. Το τελικό αποτέλεσμα της πόλωσης σε αυτήν την περίπτωση είναι διαφορετικό.

Μπορούμε να σκεφτούμε αυτές τις δύο πιθανότητες - το Α πριν από το Β, ή το Β πριν το Α - ως αόριστη αιτιακή σειρά. Στον πρώτο κλάδο, το Α επηρεάζει αιτιολογικά το Β με την έννοια ότι αν δεν είχε συμβεί το Α, η είσοδος και η έξοδος του Β θα ήταν εντελώς διαφορετικές. Ομοίως, στον δεύτερο κλάδο, το Β επηρεάζει αιτιολογικά τον Α, καθώς η τελευταία διαδικασία δεν θα μπορούσε να συμβεί διαφορετικά.

Αφού προκύψουν αυτά τα εναλλακτικά αιτιακά γεγονότα, ένας άλλος διαχωριστής δέσμης ενώνει ξανά τις δύο εκδοχές του φωτονίου. Η μέτρηση της πόλωσής του (και πολλών άλλων φωτονίων) αποφέρει μια στατιστική εξάπλωση των αποτελεσμάτων.

Ο Brukner και δύο συνεργάτες επινόησαν τρόπους για να ελέγξουν ποσοτικά εάν αυτά τα φωτόνια βιώνουν πραγματικά μια απροσδιόριστη αιτιακή σειρά. Το 2012, οι ερευνητές υπολόγισαν ένα ανώτατο όριο σχετικά με το πόσο στατιστικά συσχετίζονται τα αποτελέσματα της πόλωσης με τις περιστροφές που πραγματοποιούνται στο Α και στο Β, εάν οι περιστροφές έγιναν με σταθερή αιτιακή σειρά. Εάν η τιμή υπερβαίνει αυτήν την «αιτιατική ανισότητα», τότε οι αιτιακές επιρροές πρέπει να κινούνται και προς τις δύο κατευθύνσεις. Η αιτιακή σειρά πρέπει να ήταν αόριστη.

«Η ιδέα της αιτιακής ανισότητας ήταν πολύ ωραία και πολλοί άνθρωποι αποφάσισαν να πηδήξουν στο χωράφι», είπε η Rubino, η οποία πήδηξε μέσα της το 2015. Αυτή και οι συνάδελφοί της παρήγαγαν μια επίδειξη ορόσημο του κβαντικού διακόπτη το 2017 που λειτούργησε περίπου όπως το παραπάνω. Χρησιμοποιώντας ένα απλούστερο τεστ που επινοήθηκε από τον Brukner και την εταιρεία, επιβεβαίωσαν ότι η αιτιακή σειρά ήταν αόριστη.

Η προσοχή στράφηκε στο τι θα μπορούσε να γίνει με την αοριστία. Ο Chiribella και οι συνεργάτες του υποστήριξαν ότι πολύ περισσότερες πληροφορίες θα μπορούσαν να μεταδοθούν μέσω θορυβωδών καναλιών όταν σταλούν μέσω των καναλιών με αόριστη σειρά. Οι πειραματιστές στο Πανεπιστήμιο του Κουίνσλαντ και αλλού έχουν αποδείξει από τότε αυτό το επικοινωνιακό πλεονέκτημα.

Στο «πιο όμορφο πείραμα» που έγινε μέχρι στιγμής, σύμφωνα με τον Rubino, ο Jian-Wei Pan στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας στο Hefei έδειξε το 2019 ότι δύο μέρη μπορούν να συγκρίνουν μεγάλες σειρές bit εκθετικά πιο αποτελεσματικά όταν μεταδίδουν bit και στα δύο. κατευθύνσεις ταυτόχρονα και όχι με σταθερή αιτιακή σειρά — ένα πλεονέκτημα που προτάθηκε από τον Brukner και τους συνεργάτες του το 2016. Μια διαφορετική ομάδα στο Hefei ανέφερε τον Ιανουάριο ότι, ενώ οι κινητήρες χρειάζονται συνήθως μια ζεστή και κρύα δεξαμενή για να λειτουργήσουν, με έναν κβαντικό διακόπτη, θα μπορούσε να εξάγει θερμότητα από δεξαμενές ίσης θερμοκρασίας — μια εκπληκτική χρήση που προτάθηκε πριν από ένα χρόνο από τους θεωρητικούς της Οξφόρδης.

Δεν είναι αμέσως σαφές πώς να επεκταθεί αυτή η πειραματική εργασία για τη διερεύνηση της κβαντικής βαρύτητας. Όλα τα έγγραφα σχετικά με τον κβαντικό διακόπτη κάνουν νεύμα στον σύνδεσμο μεταξύ της κβαντικής βαρύτητας και της αόριστης αιτιότητας. Αλλά οι υπερθέσεις τεράστιων αντικειμένων - που τεντώνουν τη μέτρηση του χωροχρόνου με πολλούς τρόπους ταυτόχρονα - καταρρέουν τόσο γρήγορα που κανείς δεν έχει σκεφτεί πώς να ανιχνεύσει την προκύπτουσα ασάφεια των αιτιακών σχέσεων. Αντίθετα, οι ερευνητές στρέφονται σε πειράματα σκέψης.

Αρχή κβαντικής ισοδυναμίας

Θα θυμηθείτε την Αλίκη και τον Μπομπ. Φανταστείτε ότι βρίσκονται σε χωριστά διαστημόπλοια εργαστηρίου κοντά στη Γη. Παραδόξως (αλλά όχι απίθανο), η Γη βρίσκεται σε μια κβαντική υπέρθεση δύο διαφορετικών θέσεων. Δεν χρειάζεται ένας ολόκληρος πλανήτης να βρίσκεται σε υπέρθεση ώστε η βαρύτητα να δημιουργήσει αιτιακή αοριστία:Ακόμη και ένα άτομο, όταν βρίσκεται σε υπέρθεση δύο θέσεων, ορίζει τη μετρική με δύο τρόπους ταυτόχρονα. Αλλά όταν μιλάτε για το τι είναι μετρήσιμο κατ' αρχήν, μπορεί κάλλιστα να προχωρήσετε.

Σε έναν κλάδο της υπέρθεσης, η Γη είναι πιο κοντά στο εργαστήριο της Αλίκης και έτσι το ρολόι της χτυπά πιο αργά. Στον άλλο κλάδο, η Γη είναι πιο κοντά στον Μπομπ, οπότε το ρολόι του χτυπά πιο αργά. Όταν η Αλίκη και ο Μπομπ επικοινωνούν, η αιτιακή σειρά αλλάζει.

Σε ένα βασικό έγγραφο το 2019, η Magdalena Zych, ο Brukner και οι συνεργάτες τους απέδειξαν ότι αυτή η κατάσταση θα επέτρεπε στην Alice και τον Bob να επιτύχουν αόριστη αιτιακή σειρά.

Πρώτον, ένα φωτόνιο χωρίζεται από έναν διαχωριστή δέσμης σε δύο πιθανές διαδρομές και κατευθύνεται τόσο στο εργαστήριο της Αλίκης όσο και στο εργαστήριο του Μπομπ. Η ρύθμιση είναι τέτοια ώστε στον κλάδο της υπέρθεσης όπου το ρολόι της Αλίκης χτυπά πιο αργά, το φωτόνιο φτάνει πρώτο στο εργαστήριο του Μπομπ. περιστρέφει την πόλωσή του και στέλνει το φωτόνιο στην Αλίκη, η οποία στη συνέχεια εκτελεί τη δική της περιστροφή και στέλνει το φωτόνιο σε ένα τρίτο άτομο, τον Τσάρλι, σε ένα μακρινό τρίτο εργαστήριο. Στον άλλο κλάδο της υπέρθεσης, το φωτόνιο φτάνει πρώτα στην Αλίκη και πηγαίνει από αυτήν στον Μπομπ στον Τσάρλι. Ακριβώς όπως στο παράδειγμα του κβαντικού διακόπτη, αυτός ο «βαρυτικός κβαντικός διακόπτης» δημιουργεί μια υπέρθεση του Α και μετά το Β και μετά το Α.

Στη συνέχεια, ο Τσάρλι ενώνει τις δύο διαδρομές του φωτονίου και μετρά την πόλωσή του. Η Αλίκη, ο Μπομπ και ο Τσάρλι κάνουν το πείραμα ξανά και ξανά. Διαπιστώνουν ότι οι περιστροφές και τα αποτελέσματα των μετρήσεών τους συσχετίζονται τόσο στατιστικά που οι περιστροφές πρέπει να έχουν συμβεί με αόριστη αιτιακή σειρά.

Για να αναλύσουν την αιτιακή αοριστία σε σενάρια όπως αυτό, οι ερευνητές της Βιέννης ανέπτυξαν έναν τρόπο κωδικοποίησης πιθανοτήτων για παρατήρηση διαφορετικών αποτελεσμάτων σε διαφορετικές τοποθεσίες χωρίς αναφορά σε σταθερό χρόνο υποβάθρου, όπως στην αιτιώδη προσέγγιση του Χάρντι. Ο «φορμαλισμός της μήτρας διαδικασίας» τους μπορεί να χειριστεί πιθανότητες που επηρεάζουν αιτιολογικά η μία την άλλη προς καμία κατεύθυνση, προς μία κατεύθυνση ή και τα δύο ταυτόχρονα. "Μπορείτε πολύ καλά να ορίσετε συνθήκες υπό τις οποίες μπορείτε να διατηρήσετε αυτές τις πιθανότητες, αλλά δεν υποθέσατε ότι οι πιθανότητες είναι πριν ή μετά", είπε ο Brukner.

Εν τω μεταξύ, ο Χάρντι πέτυχε τον στόχο του να διατυπώσει τη γενική σχετικότητα στο πλαίσιο της αιτίας το 2016. Ουσιαστικά, βρήκε έναν πιο φανταχτερό τρόπο να ταξινομεί τις στοίβες των φύλλων του. Έδειξε ότι μπορείτε να χαρτογραφήσετε οποιεσδήποτε μετρήσεις μπορεί να κάνετε σε έναν αφηρημένο χώρο χωρίς αιτιώδεις υποθέσεις. Θα μπορούσατε, για παράδειγμα, να επιθεωρήσετε ένα μικρό κομμάτι του σύμπαντος και να μετρήσετε ό,τι μπορείτε για αυτό - την πυκνότητα του οξυγόνου, την ποσότητα της σκοτεινής ενέργειας, και ούτω καθεξής. Στη συνέχεια, μπορείτε να σχεδιάσετε τις μετρήσεις αυτού του μπαλώματος ως ένα μόνο σημείο σε έναν αφηρημένο χώρο υψηλών διαστάσεων, που έχει διαφορετικό άξονα για κάθε μετρήσιμη ποσότητα. Επαναλάβετε για όσα κομμάτια χωροχρόνου θέλετε.

Αφού αντιστοιχίσετε τα περιεχόμενα του χωροχρόνου σε αυτόν τον άλλο χώρο, αρχίζουν να εμφανίζονται μοτίβα και επιφάνειες. Η πλοκή διατηρεί όλους τους συσχετισμούς που υπήρχαν στον χωροχρόνο, αλλά τώρα χωρίς καμία αίσθηση του χρόνου παρασκηνίου, ή της αιτίας και του αποτελέσματος. Στη συνέχεια, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το πλαίσιο αιτιολογίας για να δημιουργήσετε εκφράσεις για πιθανότητες που σχετίζονται με όλο και μεγαλύτερες περιοχές της γραφικής παράστασης.

Αυτό το κοινό πλαίσιο τόσο για την κβαντική μηχανική όσο και για τη γενική σχετικότητα μπορεί να παρέχει μια γλώσσα για την κβαντική βαρύτητα και ο Χάρντι είναι απασχολημένος με την εξέταση των επόμενων βημάτων.

Υπάρχει μια έννοια που τόσο ο ίδιος όσο και οι θεωρητικοί της Βιέννης έχουν πρόσφατα εντοπίσει ως μια πιθανή γέφυρα προς τη μελλοντική, μετα-αιτιακή φυσική:Μια «αρχή της κβαντικής ισοδυναμίας» ανάλογη με την αρχή της ισοδυναμίας που, πριν από έναν αιώνα, έδειξε στον Αϊνστάιν τον δρόμο προς τη γενική σχετικότητα. Ένας τρόπος να δηλωθεί η αρχή της ισοδυναμίας του Αϊνστάιν είναι ότι, παρόλο που ο χωροχρόνος μπορεί να τεντωθεί και να καμπυλωθεί άγρια, τα τοπικά μπαλώματα του (όπως το εσωτερικό ενός ανελκυστήρα που πέφτει) φαίνονται επίπεδα και κλασικά, και ισχύει η Νευτώνεια φυσική. «Η αρχή της ισοδυναμίας σας επέτρεψε να βρείτε την παλιά φυσική μέσα στη νέα φυσική», είπε ο Χάρντι. "Αυτό έδωσε στον Αϊνστάιν αρκετά."

Ακολουθεί η ανάλογη αρχή:Η κβαντική βαρύτητα επιτρέπει στη μετρική χωροχρόνου να καμπυλώνεται άγρια ​​με πολλούς τρόπους ταυτόχρονα. Αυτό σημαίνει ότι οποιοδήποτε συμβάν θα έχει πολλαπλούς κώνους φωτός που δεν ταιριάζουν — εν ολίγοις, η αιτιότητα είναι αόριστη.

Αλλά ο Χάρντι σημειώνει ότι αν κοιτάξετε διαφορετικές μετρήσεις χωροχρόνου, μπορείτε να βρείτε έναν τρόπο αναγνώρισης σημείων έτσι ώστε οι κώνοι φωτός να ταιριάζουν, τουλάχιστον τοπικά. Ακριβώς όπως ο χωροχρόνος φαίνεται Νευτώνειος μέσα στον ανελκυστήρα του Αϊνστάιν, αυτά τα σημεία ορίζουν ένα πλαίσιο αναφοράς όπου η αιτιότητα φαίνεται οριστική. "Τα σημεία που βρίσκονταν στο μέλλον ενός κώνου φωτός είναι επίσης στο μέλλον των άλλων, επομένως η τοπική αιτιακή δομή τους συμφωνεί."

Η αρχή της κβαντικής ισοδυναμίας του Χάρντι βεβαιώνει ότι πάντα θα υπάρχουν τέτοια σημεία. "Είναι ένας τρόπος να αντιμετωπίσουμε την αγριότητα της αόριστης αιτιακής δομής", είπε.

Ο Αϊνστάιν βρήκε την αρχή της ισοδυναμίας του το 1907 και χρειάστηκε μέχρι το 1915 για να επεξεργαστεί τη γενική σχετικότητα. Ο Χάρντι ελπίζει να χαράξει μια παρόμοια πορεία στην επιδίωξή του για την κβαντική βαρύτητα, αν και σημειώνει, «Δεν είμαι τόσο έξυπνος όσο ο Αϊνστάιν, ούτε τόσο νέος».

Οι Brukner, Flaminia Giacomini και άλλοι επιδιώκουν παρόμοιες ιδέες σχετικά με τα κβαντικά πλαίσια αναφοράς και τις αρχές ισοδυναμίας.

Δεν είναι ακόμη σαφές πώς η επιχειρησιακή προσέγγιση αυτών των ερευνητών στην κβαντική βαρύτητα τέμνει προσπάθειες όπως η θεωρία χορδών και η κβαντική βαρύτητα βρόχου, που πιο άμεσα στοχεύουν να κβαντίσουν τη βαρύτητα σε διακριτές μονάδες (αόρατα μικρές «χορδές» ή «βρόχοι» σε αυτές τις δύο περιπτώσεις). Ο Brukner σημειώνει ότι αυτές οι τελευταίες προσεγγίσεις «δεν έχουν άμεσες λειτουργικές επιπτώσεις». Όπως ο Χάρντι, προτιμά να «προσπαθεί να διευκρινίσει τις εμπλεκόμενες έννοιες και να προσπαθεί να τις συνδέσει με πράγματα που μπορούμε, καταρχήν, να παρατηρήσουμε».

Αλλά τελικά η κβαντική βαρύτητα πρέπει να είναι συγκεκριμένη — απαντώντας όχι μόνο στην ερώτηση «Τι μπορούμε να παρατηρήσουμε;» αλλά και «Τι υπάρχει;» Δηλαδή, ποια είναι τα κβαντικά δομικά στοιχεία της βαρύτητας, του χώρου και του χρόνου;

Σύμφωνα με τον Zych, η έρευνα σε αόριστες αιτιακές δομές βοηθά στην αναζήτηση της πλήρους θεωρίας της κβαντικής βαρύτητας με δύο τρόπους:παρέχοντας ένα μαθηματικό πλαίσιο και ενημερώνοντας την ανάπτυξη συγκεκριμένων θεωριών, καθώς ο συλλογισμός πρέπει να ισχύει σε οποιαδήποτε προσέγγιση του κβαντοποίηση της βαρύτητας. Είπε, «Χτίζουμε διαίσθηση για τα φαινόμενα που σχετίζονται με κβαντικά χαρακτηριστικά χρονικής και αιτιακής τάξης, τα οποία θα μας βοηθήσουν να ξεπεράσουμε αυτά τα ζητήματα μέσα σε μια πλήρη θεωρία κβαντικής βαρύτητας».

Ο Χάρντι συμμετέχει αυτήν τη στιγμή σε μια μεγάλη ερευνητική συνεργασία που ονομάζεται QISS με στόχο τη διασταυρούμενη γονιμοποίηση κοινοτήτων ερευνητών σαν αυτόν, με υπόβαθρο σε κβαντικά θεμέλια και κβαντικές πληροφορίες, με άλλες κοινότητες ερευνητών κβαντικής βαρύτητας. Ο Carlo Rovelli, γνωστός θεωρητικός της κβαντικής βαρύτητας βρόχου στο Πανεπιστήμιο Aix-Marseille στη Γαλλία, ο οποίος ηγείται του QISS, αποκάλεσε τον Hardy «έναν ακριβή στοχαστή» που προσεγγίζει τα ζητήματα «από διαφορετική οπτική γωνία και με διαφορετική γλώσσα» που ο Rovelli θεωρεί χρήσιμο. P>

Ο Χάρντι πιστεύει ότι το αιτιοειδές πλαίσιο του μπορεί να είναι συμβατό με βρόχους ή χορδές, υποδεικνύοντας πιθανώς πώς να διατυπωθούν αυτές οι θεωρίες με τρόπο που να μην οραματίζεται τα αντικείμενα να εξελίσσονται σε ένα σταθερό χρόνο φόντου. «Προσπαθούμε να βρούμε διαφορετικές διαδρομές μέχρι το βουνό», είπε. Υποψιάζεται ότι η πιο σίγουρη διαδρομή προς την κβαντική βαρύτητα είναι αυτή που «έχει στην καρδιά της αυτή την ιδέα της αόριστης αιτιακής δομής».