用量子叠加态来解释先有鸡还是先有蛋
程明：物理学博士。曾在《自然》《物理评论通讯》PRL 等世界顶尖学术杂志上发表 10 多篇论文，被诺贝尔奖获得者及多本教科书如宾大著名教授 Lubensky所著的《凝聚态物理原理》引用。曾就职于美国硅谷多家高科技公司，曾任职AMAT的高级工程师、CyperCTI的技术总监。著有《留美专家谈电子商务》(2000年)《有机分子的电子晶体学》(章节作者)。
（版权所有，转载请联系作者）十万个为什么 3.0 丛书 2024年 6月，于美国
在量子力学中，因果关系是一个复杂且有争议的议题。传统上，因果关系指的是一个事件（原因）导致另一个事件（结果）发生。比如说，先有蛋，才有鸡，或者说先有鸡，才有蛋。而然两者是矛盾的。阿兰诺教授写了一篇很好的科学哲学文章【1】。这个问题也可以用量子力学的叠加态理论来说明。叠加态，使得在量子力学中，这种直接的因果链可能不那么明确。实际上，以前已经有不少人用叠加态来解释先有鸡还是先有蛋。【3】但是我们觉得需要更深入的讨论。
量子叠加态理论说明，在观测之前，粒子可以同时处于所有可能状态。这些状态有可能互相影响，甚至互为因果，因此，量子力学在根本上就存在了挑战因果关系的可能性。
过去的十年里，物理学家们对因果关系进行了更深入的实验研究，有了一些更多的发现：事件的因果关系可能不是固定的。也就是说，"A引起B"和"B引起A"可能同时成立。【3】 或者说，鸡和蛋其实是同时出现的。 在某一个时期，它们其实是同一生物的不同的状态。 后来相应于量子力学的退相干现象出现，让它们分开了。
过去的十年，在奥地利、中国、澳大利亚和其他地方的实验室中，物理学家通过将光子置于两种状态的叠加中来观察不确定的因果顺序。然后，他们将叠加的一个分支置于过程 A，然后是过程 B，并将另一个分支置于 B，然后是 A。在这个称为量子开关的过程中，A 的结果会影响 B 中发生的情况，反之亦然；光子同时经历两个因果顺序。
布里斯托大学研究员朱莉娅·鲁比诺 (Giulia Rubino) 于 2017 年领导了量子开关的首次实验演示。
例如，他们可能会向称为分束器的光学设备发射光子。根据量子力学，光子有 50-50 的机会被撞击或反射，因此它两者兼而有之。
光子的第一个设备以某种方式旋转光的操作方向。接下来，光子遇到一个类似的设备，该设备以不同的方式旋转。将这些设备称为为 A 和 B。
我们可以将这两种可能性（A 在 B 之前，或者 B 在 A 之前）视为不确定的因果顺序。在第一个分支中，A 因果地影响 B，如果 A 没有发生，B 的输入和输出将完全不同。同样，在第二个分支中，B 对 A 产生因果影响，否则后一个过程就不可能发生。 在这些替代因果事件发生后，另一个分束器将两个版本的光子重新结合起来。测量其偏振（以及许多其他光子的偏振）会产生结果的统计分布。
然而，在解释上面的实验结果的时候我们必须非常小心，我们可能需要更多的实验和时间沉淀。 但是， 实际上，过去一些被确认的著名实验，比如单粒子双狭缝衍射， 已经引发了对因果关系的思考。 单量子本身同时通过两条狭缝， 就是它同时存在于两种不同的状态，而且互相影响产生干涉。 它自己为因又为果。 这种现象表明，粒子的行为不仅仅是由单一的因果路径决定的，而是由多种可能性共同作用的结果。这就挑战了传统的因果关系。
我们要注意的是，量子力学实际上并不排斥因果关系的概念，而是提供了一个更加深入和广泛的视角来理解它。在量子力学中，因果关系并不是被否定，而是被重新定义。特别是在相对论量子力学中，光速不变的原则是一个关键的界限，它确立了因果关系的基本框架。这意味着在量子层面，事件之间的因果联系必须遵守光速不变的限制，确保信息不会超过光速传播。因此，量子力学并没有抛弃因果关系，而是在光速不变的前提下，重新审视和理解了因果关系的本质。
更深入一点说，时间和空间其实都是经典的概念，在量子力学中，它们的角色和意义发生了变化。量子力学中的时间和空间不再是绝对的背景舞台，而是与物质和能量的量子性质相互关联。 在量子缠绕解释上的的困扰其实都来源人们固有的对于时间和空间的经典的概念。 量子力学中，最重要和最基本的概念是量子态。 请听下次分解。
谢谢。
参考资料：
【1】先有鸡还是先有蛋：科学哲学之辨析 —— 阿兰诺 博士
【2】先有鸡还是先有蛋？ 在量子世界里，两者可以同时“有” —— 来源: 中科院物理所 - discard
【3】Quantum Mischief Rewrites the Laws of Cause and Effect | Quanta Magazine