十多年前，当我第一次尝试理解量子力学时，我看到了一项令人难以置信的实验。实验中，一对纠缠光子的一半通过一个可以让它既表现为粒子又表现为波的装置进行发送。另一半光子则在装置被移除后进行测量，这使得第一半光子必须表现出相应的粒子或波的行为。实验结果显示，第一半光子的表现几乎完全符合测量之后的结果，就像它从一开始就知道自己将要如何表现一样。
这一现象看似让测量倒流地影响了光子的行为，从而引发了人们对量子力学中因果关系本质的质疑。实际上，物理学家们长期以来一直在思考类似问题，并设计了各种实验来详细探究其机制。最近几周，一项新实验的结果表明，理论上可以制造出两组事件的量子叠加态，从而使得事件A先发生还是事件B先发生的问题不再绝对，而变成了概率性质。虽然这项实验仍然存在一些漏洞，但研究人员认为，这些漏洞在未来完全可以通过技术手段消除。
在这一讨论中，“不确定的因果顺序”这一术语显得尤为关键。它表面上似乎暗示事件A迫使事件B发生，但量子力学的实验结果却显示，事件的时间顺序并非绝对确定。例如，在光子实验中，测量发生在光子通过装置之后，似乎决定了光子是表现为粒子还是波。传统科学方法通常通过人为控制和实验设计来强制形成因果顺序：如果你先做A，就必然先经历B；反之亦然。然而，量子实验却显示，可以让粒子经历两种时间顺序的叠加状态，即同时存在“先A后B”和“先B后A”的可能性。至少到目前为止，所有实验结果都支持这种量子叠加状态的存在。
当然，这些实验只能证明叠加态在特定装置中发生，尚不能说明它是量子力学普遍特性。但它为探索量子世界中时间与因果关系的奇特性质提供了新思路。
最近，维也纳大学的一个研究团队在这一领域取得了进一步突破。他们借助熟悉的量子力学工具——类似贝尔不等式的方法——验证了不确定因果顺序的存在。贝尔不等式本质上是一种判断实验结果是否反映真实量子特性的工具，用于排除某种隐藏变量假说，即假设存在未被察觉的物理因素以某种方式影响测量结果。通过这种方法，研究人员可以更准确地判断实验中奇异现象是否源自量子力学本身，而非外部干扰。
研究团队设计了一个特殊测量系统，利用纠缠光子构建实验，其中一个光子会依其极化状态先经历A操作再经历B操作，或者反之。另一个光子则仅用于测量其偏振，从而间接确定第一光子所走路径。实验结果显示，测量偏差低于贝尔定理预测的标准差18倍，这强烈表明时间叠加确实是量子力学的一种基本特征。
不过，实验仍存在一些技术漏洞。例如，实验过程中约有1%的光子未被测量，这可能影响统计结果。此外，硬件间隔不足以完全排除亚光速影响，实验中还可能出现一些不确定因果顺序特有的异常现象。但这项研究为未来堵塞这些漏洞提供了方向，而历史经验显示，科学家完全有可能通过改进实验设计消除这些问题。
尽管实验现象令人惊叹，但它并非纯粹理论上的奇观。在量子物理中，这种时间顺序叠加不仅具有哲学意义，也有实际应用价值。研究团队指出，实验中使用的装置在通道辨别、承诺问题、通信复杂性、噪声抑制、热力学应用、量子计量、量子密钥分发、纠缠生成与蒸馏等多种任务中，都能超越传统因果有序过程的限制。这意味着，混淆时间顺序在量子技术中不仅可行，还可能带来实际效益。
换句话说，量子力学不仅挑战了我们对时间与因果关系的直觉理解，同时也为量子信息处理和通信技术开辟了新的可能性。理解这种现象，不仅让我们对世界有了更深刻的认识，也为量子技术的应用提供了理论基础与实验路径。
本文译自：arstechnica（编译 / 整理：olaola）
封面图片：unsplash/Steve Johnson