Как мы нечаянно можем изменить прошлое: ретрокаузальность и тайны времени

В нашем мире, где физика и технологии развиваются с каждым днем, иногда, кажется, что уже ничего не может нас удивить. Но все же есть темы, которые вызывают любопытство и научный азарт среди исследователей. Одно из таких понятий «ретрокаузальность» в физике, как раз набирающая популярность и интерес в научном сообществе.


Ретрокаузальность — это обратная причинность, или возможность влияния будущего на прошлое. В повседневной жизни у нас причинно-следственные связи идут от прошлого к будущему. Однако согласно некоторым теориям, такая взаимосвязь может быть и обратной.


— Хуан Малдасино, теоретический физик из Института перспективных технологий ЦЕРН.

Ретрокаузальность особенно актуальна в контексте квантовой механики, основной теории, описывающей мир на атомном и субатомном уровне. В квантовой механике события в будущем могут влиять на результаты прошлых экспериментов. В последнее время исследователи начинают активно изучать ретрокаузальность, и случаи наблюдения обратной причинности становятся чаще.


— Мэттью Липентал, исследователь при Принстонском университете.

Однако существует много вопросов и ограничений, которые еще предстоит изучить и понять. 

В 2022 году Нобелевская премия по физике присуждена за экспериментальную работу, показывающую, что квантовый мир должен разрушить некоторые из наших фундаментальных представлений о том, как устроена Вселенная.

Многие смотрят на эти эксперименты и приходят к выводу, что они бросают вызов «локальности» — теории, согласно которой удаленным объектам для взаимодействия необходим физический посредник. И действительно, таинственная связь между далекими частицами может быть одним из способов объяснить экспериментальные результаты.

Другие думают, что эксперименты бросают вызов «реализму» — предположению, что в основе нашего опыта лежит объективное положение дел. В конце концов, эксперименты трудно объяснить только в том случае, если наши измерения считаются соответствующими чему-то реальному. В любом случае многие физики согласны с тем, что называют «смертью от эксперимента» локального реализма.

Но что, если обе эти гипотезы можно сохранить за счет третьей? Растущая группа экспертов считает, что вместо этого мы должны отказаться от предположения, что нынешние действия не могут повлиять на прошлые события. Этот вариант, называемый «ретропричинностью», претендует на сохранение как локальности, так и реализма.

Что вообще такое причинно-следственная связь? 

Начнем с того, что корреляция — это не причинно-следственная связь. Некоторые корреляции являются причинно-следственными, но не все. В чем разница?

Рассмотрим два примера. 

1. Существует корреляция между стрелкой барометра и погодой — вот почему мы узнаем о погоде, глядя на барометр. Но никто не думает, что стрелка барометра вызывает погоду.
   
2. Употребление крепкого кофе коррелирует с учащением пульса. Здесь кажется правильным сказать, что первое вызывает второе.
   

Разница в том, что если мы «покачаем» стрелкой барометра, то не изменим погоду. Погода и стрелка барометра контролируются третьей вещью, атмосферным давлением — вот почему они коррелируют. Когда мы сами управляем стрелкой, мы разрываем связь с давлением воздуха, и корреляция исчезает.

Но если мы вмешаемся, чтобы изменить объем потребления кем-то кофе, мы, скорее всего, также изменим частоту его сердечных сокращений. Причинно-следственные корреляции — это те, которые остаются в силе, когда мы меняем одну из переменных.

Наука поиска этих надежных корреляций называется «причинным открытием». Это громкое название для простой идеи: выяснить, что еще меняется, когда мы перемещаем предметы вокруг себя.

В жизни мы обычно считаем само собой разумеющимся, что последствия действия проявятся позже, чем само действие. Но ничто в научном методе не требует, чтобы все происходило именно так. Точно так же религиозные люди молятся о том, чтобы их близкие оказались среди выживших, скажем, после вчерашнего кораблекрушения. Мы воображаем, что-то, что мы делаем сейчас, может повлиять на что-то в прошлом. Это ретропричинность.

Квант ретропричинности

Квантовая угроза локальности (то, что удаленным объектам для взаимодействия необходим физический посредник) проистекает из аргумента физика из Северной Ирландии Джона Белла в 1960-х годах. Белл рассмотрел эксперименты, в которых два гипотетических физика, Алиса и Боб, получают частицы из общего источника. Каждый выбирает одну из нескольких настроек измерения, а затем записывает результат измерения. Повторяясь много раз, эксперимент генерирует список результатов.



Белл понял: квантовая механика предсказывает, что в этих данных будут странные корреляции (теперь подтвержденные). Казалось, они подразумевают, что выбор Алисой настроек оказывает тонкое «нелокальное» влияние на результат Боба, и наоборот, даже если Алиса и Боб могут быть разделены световыми годами. Говорят, что аргумент Белла представляет угрозу специальной теории относительности Альберта Эйнштейна, которая является неотъемлемой частью современной физики.

Но это потому, что Белл предположил, что квантовые частицы не знают, с какими измерениями они столкнутся в будущем. Ретропричинные модели предполагают, что выбор измерений Алисы и Боба влияет на частицы обратно в источнике. Это может объяснить странные корреляции, не нарушая специальной теории относительности.

В настоящее время существует сообщество ученых, занимающихся квантовой ретропричинностью. Но это все еще неочевидно для большинства экспертов в более широкой области. Нередко ее путают с другой точкой зрения, называемой «супердетерминизмом».

Супердетерминизм

Супердетерминизм согласуется с ретропричинностью в том, что выбор измерения и основные свойства частиц каким-то образом коррелируют.

Но супердетерминизм трактует это как корреляцию между погодой и стрелкой барометра. Предполагается, что существует некая таинственная третья вещь — «супердетерминант», — который контролирует и коррелирует как наш выбор, так и частицы, подобно тому, как атмосферное давление контролирует и погоду, и барометр.

Таким образом, супердетерминизм отрицает, что выбор измерений — это то, что мы можем изменять по своему желанию, они предопределены. Свободные колебания нарушили бы корреляцию, как и в случае с барометром. Критики возражают, что таким образом супердетерминизм подрывает основные предположения, необходимые для проведения научных экспериментов. Они также убеждены, что это означает отрицание свободы воли, потому что нечто контролирует и выбор измерения, и частицы.

Каковы доказательства ретрокаузальности? Критики требуют экспериментальных доказательств, но это самое простое: соответствующие эксперименты только что получили Нобелевскую премию. Сложность заключается в том, чтобы показать, что ретропричинность дает лучшее объяснение этим результатам.

Это не значит, что все идет гладко. Самое большое беспокойство по поводу ретрокаузальности — это возможность посылать сигналы в прошлое, открывая двери парадоксам путешествий во времени. 

 
— Николас Гисин, профессор квантовой физики в Женевском университете.

Но чтобы создать парадокс, нужно измерить эффект в прошлом. Если наша молодая бабушка не может прочитать наш совет не выходить замуж за дедушку, а это значит, что нас не будет на свете, в этом нет парадокса. А в квантовом случае хорошо известно, что мы никогда не сможем измерить все сразу. Тем не менее предстоит проделать большую работу по разработке конкретных ретрокаузальных моделей, обеспечивающих выполнение этого ограничения. 

Итак, закончим осторожным выводом. Ретрокаузальность — потенциально революционное открытие, которое может изменить наше понимание времени и пространства. Но на данный момент мы еще стоим в начале этого пути, и остается много вопросов и загадок, требующих ответов и объяснений.