愛因斯坦在散步的時候，要穿過兩扇門。他先穿過一道綠門，然后穿過一道紅門。

或者他也可以先穿過紅門，再穿過綠門。兩種選擇，非此即彼。按照一般的思維，他通過這兩扇門時一定有先后次序，對吧？

但如果是在維也納大學菲利普·沃爾特的實驗室里，如果愛因斯坦能夠乘著光子飛行的話，或許情況就沒那么簡單了。

2015年的這一發(fā)現(xiàn)，讓科學家意識到，量子物理要比他們此前的理解更加匪夷所思。

沃爾特的實驗向“一件事導致了另一件事”的因果邏輯發(fā)起了挑戰(zhàn)，仿佛是物理學家攪亂了時間這個概念本身，讓時間向兩個方向流逝。

如果用日常的思維來理解，那這簡直就是胡扯。但在量子理論的數(shù)學體系中，因果關系上的模糊性是完全符合邏輯且自洽的。

研究人員還認為，利用人為制造的因果關系模糊的物理系統(tǒng)，我們便可以探索更加廣闊的物理領域。有人提出，非因果系統(tǒng)可以用于推動頗具潛力的量子計算的發(fā)展。

香港大學的量子理論學家朱利奧·奇里貝拉說：“如果量子計算機能夠不受因果規(guī)律的限制，那么它就有可能在解決某些問題時比經(jīng)典計算機速度更快。”

更重要的是，理解量子力學的“因果結(jié)構(gòu)”，理清事件之間是否存在先后順序，或許有助于我們接受量子理論、形成量子直覺。

目前，我們在理解量子物理的時候，總是把光子描述成一種既是波又是粒子的物質(zhì)，總是認為事件被不確定性籠罩著，但這樣的語言還是十分拗口。

此外，由于因果律是關于物體之間如何通過時空產(chǎn)生相互作用的規(guī)律，這種新的視角或許能夠幫助我們邁向量子力學與廣義相對論的統(tǒng)一理論。

量子力學與廣義相對論是現(xiàn)代物理學的兩大基石，而兩者之間互不相容，這也構(gòu)成當今物理學最大的挑戰(zhàn)之一。

混亂的時間

20世紀30年代，尼爾斯·玻爾和維爾納·海森堡將隨機性引入量子理論，而愛因斯坦多次對此提出質(zhì)疑。自此，因果性就是一直量子力學中的一個關鍵問題。

玻爾與海森堡構(gòu)建的量子力學哥本哈根詮釋堅持認為，量子測量，例如測量一個線偏振光子的偏振方向，其結(jié)果是隨機的，并且只在測量的瞬間才被決定下來，我們也完全無法解釋為何出現(xiàn)這個測量結(jié)果。

1935年，愛因斯坦和他的助手鮑里斯·波多爾斯基、內(nèi)森·羅森（根據(jù)其姓氏首字母，合稱EPR）提出了一個著名的思想實驗。他們利用玻爾對量子力學的解釋，推導出了一個貌似不可能的結(jié)論。

EPR的思想實驗中，A、B兩個粒子處于相互影響的狀態(tài)，也就是“糾纏態(tài)”。這里我們用自旋來舉一個糾纏態(tài)的例子。

自旋是粒子的一種量子特性，你可以把它想象成一個小磁鐵，磁鐵的N極就是自旋所指的方向。

對于A、B兩個粒子，如果 A的自旋朝上，則B的自旋一定朝下，反過來如果 A的自旋朝下，則B的自旋一定朝上。

在這樣的糾纏態(tài)中，我們只有進行測量，才能夠確定兩個粒子究竟處于什么樣的自旋狀態(tài)。根據(jù)哥本哈根詮釋，測量不僅僅讓我們獲知粒子的狀態(tài)，還會使得粒子“固定”在我們所測得的狀態(tài)。

而對于糾纏態(tài)的粒子，不論它們相距多遠，對A的測量在固定了A的狀態(tài)的同時，也固定了B的狀態(tài)，仿佛在測量的瞬間，A與B之間產(chǎn)生了某種相互作用。

愛因斯坦不能接受這種跨越遙遠距離而瞬間發(fā)生的相互作用（即“超距作用”），因為這意味著相互作用的傳遞速度超過光速，違背了狹義相對論。

愛因斯坦堅信，這一悖論源于哥本哈根解釋不夠完備。在測量之前，A、B粒子必定已經(jīng)有了明確的狀態(tài)。

然而，隨著實驗手段的進步，科學家對糾纏態(tài)粒子進行實際測量后發(fā)現(xiàn)，粒子之間的關聯(lián)性無法用“粒子的狀態(tài)在測量前就已經(jīng)確定”來解釋。

但同時這種關聯(lián)性又不違背狹義相對論，因為它并不能傳遞信息，不會導致信息超光速。那這種關聯(lián)是怎樣產(chǎn)生的呢？這確實很難用符合我們直覺的因果關系來解釋。

乍看上去，哥本哈根詮釋至少還保留有正常的時序邏輯：一次測量并不會影響到測量之前所發(fā)生的事件。

如果事件A要對事件B產(chǎn)生影響的話，那么A一定要先于B而發(fā)生。然而，最近十年間，這個最基本的時序邏輯也開始動搖。

研究人員已經(jīng)構(gòu)想出了特定的量子情境，以至于我們無法判斷關聯(lián)事件中究竟是何者發(fā)生在前。

在經(jīng)典物理中不可能有這樣的情境。就算我們不知道甲乙誰先發(fā)生，它們也必定有一個先發(fā)生，一個后發(fā)生。

而在量子物理中，不確定性不是由于我們沒有獲取足夠的信息；這是一種根本上的不確定性，在測量之前根本就不存在所謂的“實際狀態(tài)”。

模棱兩可的因果關系

到了2016年，沃爾特團隊設計了一種實驗方法，可以在光子經(jīng)過兩個邏輯門的過程中對其進行測量，而又不會立即改變觀察者已知的信息。

具體做法，是讓光子自身攜帶這個測量結(jié)果，而不立即提取。

光子在經(jīng)過整個光路后才會被探測器接收到，觀察者直到此時才能獲知光子攜帶的測量結(jié)果，因此無法利用光子攜帶的信息來推斷光子經(jīng)過邏輯門的順序。

這就好比別人在旅行途中記錄自己的感受，等到旅行歸來再與你分享這些記錄，你是沒辦法根據(jù)這些信息來推測他具體是在何時何地記錄下這些文字的。

最終，沃爾特團隊證實，只要觀察者不知道具體的測量結(jié)果，那么測量就不會破壞因果疊加態(tài)。沃爾特r說：“我們等到整個實驗過程進行完畢，才提取了途中測量的結(jié)果。

光子飛行途中，測量結(jié)果以及測量發(fā)生的時間都是未知的，但仍然對最終的結(jié)果產(chǎn)生了影響。還有一些研究組也在用量子光學的方法在實驗中研究因果關系的不確定性。

在加拿大，滑鐵盧大學和圓周理論物理研究所的研究團隊制造了一個可以操控光子狀態(tài)的量子線路，以此獲得了另一種因果混合狀態(tài)。

實驗中，光子先后通過A門、B門，但光子的狀態(tài)取決于兩種不同的因果邏輯的混合；

要么是A門的作用決定了B門的作用，要么是A、B兩門的作用共同由其他事件決定——這就好比，高溫天氣會增加曬傷病例，也會增加冰激凌的銷量，但曬傷與冰激凌之間并沒有直接的因果關系。

滑鐵盧大學的實驗結(jié)論與維也納大學的實驗結(jié)論一致：我們無法根據(jù)最終測得的光子狀態(tài)判斷先前事件之間的因果關系。

基于這些挑戰(zhàn)因果直覺的實驗，我們或許能夠開發(fā)出新的通信方式。光子作為一個信號，其經(jīng)過兩個邏輯門的順序是疊加態(tài)，這可以視為兩者同時向?qū)Ψ桨l(fā)送信息。

簡單地講，這就是一種事半功倍的通信方式。也許，這當中還暗藏著信息處理的捷徑。

人類早已了解到，量子疊加態(tài)和糾纏態(tài)可以用來對某些特定的計算做指數(shù)級別的加速，但這里涉及的都是經(jīng)典的因果結(jié)構(gòu)。

利用量子因果疊加態(tài)天然具備的雙向同步通信潛力，我們或許可以進一步提升量子信息處理的速度。當你有了一個顛覆性的理論時，就必須要有更加顛覆性的思維才能夠理解它。