(Phys.org) - Hoewel er veel contra-intuïtieve ideeën zijn in de kwantumtheorie, het idee dat invloeden terug in de tijd kunnen reizen (van de toekomst naar het verleden) hoort daar doorgaans niet bij. Echter, onlangs hebben enkele natuurkundigen dit idee onderzocht, genaamd "retrocausaliteit, " omdat het mogelijk een aantal al lang bestaande puzzels in de kwantumfysica kan oplossen. als retrocausaliteit is toegestaan, dan kunnen de beroemde Bell-tests worden geïnterpreteerd als bewijs voor retrocausaliteit en niet voor actie op afstand - een resultaat dat Einstein en anderen die sceptisch waren over die 'spookachtige' eigenschap misschien hebben gewaardeerd.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Proceedings van de Royal Society A , natuurkundigen Matthew S. Leifer van de Chapman University en Matthew F. Pusey van het Perimeter Institute for Theoretical Physics hebben nieuwe theoretische ondersteuning gegeven voor het argument dat, als bepaalde redelijk klinkende veronderstellingen worden gemaakt, dan moet de kwantumtheorie retrocausaal zijn.

De aantrekkingskracht van retrocausaliteit

Eerst, om te verduidelijken wat retrocausaliteit wel en niet is:het betekent niet dat signalen van de toekomst naar het verleden kunnen worden gecommuniceerd - dergelijke signalering zou zelfs in een retrocausale theorie vanwege thermodynamische redenen verboden zijn. In plaats daarvan, retrocausaliteit betekent dat, wanneer een experimentator de meetinstelling kiest waarmee hij een deeltje wil meten, die beslissing kan de eigenschappen van dat deeltje (of een ander deeltje) in het verleden beïnvloeden, zelfs voordat de onderzoeker zijn keuze had gemaakt. Met andere woorden, een beslissing die in het heden wordt genomen, kan iets in het verleden beïnvloeden.

In de originele Bell-tests, natuurkundigen gingen ervan uit dat retrocausale invloeden niet konden optreden. Bijgevolg, om hun waarnemingen te verklaren dat verre deeltjes onmiddellijk lijken te weten welke meting aan de andere kant wordt gedaan, de enige haalbare verklaring was actie op afstand. Dat is, de deeltjes beïnvloeden elkaar op de een of andere manier, zelfs als ze over grote afstanden van elkaar zijn gescheiden, op manieren die door geen enkel bekend mechanisme kunnen worden verklaard. Maar door rekening te houden met de mogelijkheid dat de meetinstelling voor het ene deeltje retrocausaal het gedrag van het andere deeltje kan beïnvloeden, er is geen behoefte aan actie op afstand - alleen retrocausale invloed.

Retrocausaliteit generaliseren:met of zonder een echte kwantumtoestand

Een van de belangrijkste voorstanders van retrocausaliteit in de kwantumtheorie is Huw Price, een professor filosofie aan de Universiteit van Cambridge. In 2012, Price voerde een argument aan dat suggereert dat elke kwantumtheorie die aanneemt dat 1) de kwantumtoestand echt is, en 2) de kwantumwereld is tijdsymmetrisch (dat fysieke processen voor- en achteruit kunnen gaan terwijl ze worden beschreven door dezelfde natuurkundige wetten) en moet retrocausale invloeden mogelijk maken. begrijpelijk, echter, het idee van retrocausaliteit is niet aangeslagen bij natuurkundigen in het algemeen.

"Er is een kleine groep natuurkundigen en filosofen die denken dat dit idee het nastreven waard is, waaronder Huw Price en Ken Wharton [professor natuurkunde aan de San José State University], " vertelde Leifer Phys.org . "Er is geen, naar mijn weten, een algemeen aanvaarde interpretatie van de kwantumtheorie die de hele theorie herstelt en dit idee exploiteert. Het is op dit moment meer een idee voor een interpretatie, dus ik denk dat andere natuurkundigen terecht sceptisch zijn, en het is aan ons om het idee uit te werken."

In de nieuwe studie Leifer en Pusey proberen dit te doen door het argument van Price te generaliseren, wat het misschien aantrekkelijker maakt in het licht van ander recent onderzoek. Ze beginnen met het verwijderen van Price's eerste veronderstelling, zodat het argument stand houdt of de kwantumtoestand echt is of niet - een kwestie waarover nog enige discussie bestaat. Een kwantumtoestand die niet echt is, zou de kennis van natuurkundigen van een kwantumsysteem beschrijven in plaats van een echte fysieke eigenschap van het systeem te zijn. Hoewel het meeste onderzoek suggereert dat de kwantumtoestand echt is, het is moeilijk om op de een of andere manier te bevestigen, en het toestaan ​​van retrocausaliteit kan inzicht verschaffen in deze vraag. Het toestaan ​​van deze openheid over de realiteit van de kwantumtoestand is een van de belangrijkste redenen om retrocausaliteit in het algemeen te onderzoeken, legde Leifer uit.

"De reden waarom ik denk dat retrocausaliteit het onderzoeken waard is, is dat we nu een hele reeks no-go-resultaten hebben over realistische interpretaties van de kwantumtheorie, inclusief de stelling van Bell, Kochen-Specker, en recente bewijzen van de realiteit van de kwantumtoestand, " zei hij. "Deze zeggen dat elke interpretatie die past in het standaardkader voor realistische interpretaties kenmerken moet hebben die ik als ongewenst zou beschouwen. Daarom, de enige opties lijken te zijn om het realisme op te geven of uit het standaard realistische raamwerk te breken.

"Het loslaten van realisme is heel populair, maar ik denk dat dit de wetenschap veel van haar verklarende kracht berooft en daarom is het beter om waar mogelijk realistische verklaringen te vinden. De andere optie is om meer exotische realistische mogelijkheden te onderzoeken, waaronder retrocausaliteit, relationalisme, en vele werelden. Afgezien van de vele werelden, deze zijn niet veel onderzocht, dus ik denk dat het de moeite waard is om ze allemaal in meer detail te bekijken. Ik ben niet persoonlijk toegewijd aan de retrocausale oplossing boven de andere, maar het lijkt mogelijk om het rigoureus te formuleren en te onderzoeken, en ik denk dat dat moet worden gedaan voor een aantal van de meer exotische mogelijkheden."

Kan niet zowel tijdsymmetrie als geen retrocausaliteit hebben

In hun krant Leifer en Pusey herformuleren ook het gebruikelijke idee van tijdsymmetrie in de natuurkunde, die gebaseerd is op het omkeren van een fysiek proces door vervanging t met - t in de bewegingsvergelijkingen. De natuurkundigen ontwikkelen hier een sterker concept van tijdsymmetrie waarbij het omkeren van een proces niet alleen mogelijk is, maar dat de kans van optreden hetzelfde is, of het proces nu vooruit of achteruit gaat.

Het belangrijkste resultaat van de fysici is dat een kwantumtheorie die uitgaat van zowel dit soort tijdsymmetrie als dat retrocausaliteit niet is toegestaan, in tegenspraak is. Ze beschrijven een experiment dat deze tegenstelling illustreert, waarin de aanname van tijdsymmetrie vereist dat de voorwaartse en achterwaartse processen dezelfde kansen hebben, maar de veronderstelling van geen retrocausaliteit vereist dat ze verschillend zijn.

Dus uiteindelijk komt alles neer op de keuze of we tijdsymmetrie of geen retrocausaliteit willen behouden, zoals het argument van Leifer en Pusey laat zien dat je niet beide kunt hebben. Aangezien tijdsymmetrie een fundamentele fysieke symmetrie lijkt te zijn, zij stellen dat het logischer is om retrocausaliteit toe te staan. Dit zou de noodzaak voor actie op afstand in Bell-tests elimineren, en het zou nog steeds mogelijk zijn om uit te leggen waarom het gebruik van retrocausaliteit voor het verzenden van informatie verboden is.

"Het argument voor het omarmen van retrocausaliteit lijkt me sterker om de volgende redenen:' zei Leifer. 'Eerst, met retrocausaliteit kunnen we mogelijk de problemen oplossen die door andere no-go-stellingen worden opgeworpen, d.w.z., het stelt ons in staat om Bell-correlaties te hebben zonder actie op afstand. Dus, hoewel we nog moeten uitleggen waarom er geen signalering naar het verleden is, het lijkt erop dat we meerdere puzzels in één kunnen samenvouwen. Dat zou niet het geval zijn als we in plaats daarvan de tijdsymmetrie zouden verlaten.

"Tweede, we weten dat het bestaan ​​van een tijdspijl al verklaard moet worden door thermodynamische argumenten, d.w.z., het is een kenmerk van de bijzondere randvoorwaarden van het heelal en zelf geen natuurkundige wet. Aangezien het vermogen om signalen alleen naar de toekomst te sturen en niet naar het verleden deel uitmaakt van de definitie van de pijl van de tijd, het lijkt mij waarschijnlijk dat het onvermogen om naar het verleden te signaleren in een retrocausaal universum ook zou kunnen voortkomen uit speciale randvoorwaarden, en hoeft geen natuurkundige wet te zijn. Tijdsymmetrie lijkt op deze manier minder waarschijnlijk te ontstaan ​​(in feite we gebruiken meestal thermodynamica om uit te leggen hoe de schijnbare tijdasymmetrie die we in de natuur waarnemen voortkomt uit tijdsymmetrische wetten, in plaats van andersom)."

Zoals de natuurkundigen verder uitleggen, het hele idee van retrocausaliteit is zo moeilijk te accepteren omdat we het nergens anders zien. Hetzelfde geldt voor actie op afstand. Maar dat betekent niet dat we kunnen aannemen dat geen retrocausaliteit en geen actie op afstand waar zijn voor de werkelijkheid in het algemeen. In elk geval, natuurkundigen willen verklaren waarom een ​​van deze eigenschappen alleen naar voren komt in bepaalde situaties die ver verwijderd zijn van onze dagelijkse waarnemingen.

"Een manier om naar alle no-go-stellingen te kijken, is in termen van fijnafstemmingen, " legde Leifer uit. "Je merkt een eigenschap van de voorspellingen van de theorie op en je gaat ervan uit dat deze eigenschap ook geldt voor de werkelijkheid. Dan laat je zien dat dit onverenigbaar is met het reproduceren van de voorspellingen van de kwantumtheorie en heb je een no-go-stelling.

"Bijvoorbeeld, in de stelling van Bell, we merken dat we geen superluminale signalen kunnen sturen, dus we nemen aan dat er in werkelijkheid geen superluminale invloeden zijn, maar dit brengt ons in conflict met de experimenteel waargenomen voorspellingen. Merk op dat het niet echt superluminale invloeden op zich zijn die het grootste probleem vormen. Als we signalen sneller dan het licht zouden kunnen sturen, zouden we simpelweg zeggen:'Oh nou ja, Einstein had het mis. De relativiteitstheorie klopt gewoon niet.' En ga dan verder met natuurkunde. Maar dat is niet wat er gebeurde:geen enkele signalering houdt nog stand op het niveau van wat we waarnemen, er is alleen een spanning tussen dit en wat er in werkelijkheid moet gebeuren om te reproduceren wat we waarnemen. Als er superluminale invloeden zijn, waarom kunnen we ze dan niet direct observeren? Dit is de puzzel die om uitleg schreeuwt."

Implicaties en twijfel aan veronderstellingen

Als retrocausaliteit een kenmerk is van de kwantumwereld, dan zou het enorme implicaties hebben voor het begrip van natuurkundigen van de fundamenten van de kwantumtheorie. Misschien wel de grootste betekenis is de implicatie voor de Bell-tests, waaruit blijkt dat verre deeltjes elkaar echt niet kunnen beïnvloeden, maar eerder - zoals Einstein en anderen geloofden - dat de kwantumtheorie onvolledig is. Als de nieuwe resultaten waar zijn, dan kan retrocausaliteit een van de ontbrekende stukjes zijn die de kwantumtheorie compleet maakt.

"Ik denk dat verschillende interpretaties [van de kwantumtheorie] verschillende implicaties hebben voor hoe we de standaard kwantumtheorie kunnen generaliseren, "Zei Leifer. "Dit kan nodig zijn om de juiste theorie van kwantumzwaartekracht te construeren, of zelfs om enkele problemen in de hoge-energiefysica op te lossen, aangezien de eenwording van de andere drie krachten nog steeds in de lucht is in het licht van de LHC-resultaten. Dus ik denk dat we in toekomstige theorieën, gebaseerd op de ideeën van bestaande interpretaties, een verschil kunnen zien, maar toegegeven, we zijn er nog lang niet achter hoe dit op dit moment zou kunnen werken.

"speculatief, als er retrocausaliteit in het universum is, dan kan het zo zijn dat er bepaalde tijdperken zijn, misschien in de buurt van de oerknal, waarin er geen duidelijke pijl van causaliteit is. Je zou je kunnen voorstellen dat een handtekening van een dergelijk tijdperk zou kunnen verschijnen in kosmologische gegevens, zoals de kosmische microgolfachtergrond. Echter, dit is zeer speculatief, en ik heb geen idee welke handtekeningen we nog mogen verwachten."

De natuurkundigen hebben geen experimenten opgesteld om retrocausaliteit te testen, maar aangezien het idee meer een interpretatie van waarnemingen is dan het maken van nieuwe waarnemingen, wat het meest nodig is, is misschien geen test, maar meer theoretische ondersteuning.

"Voor zover directe experimentele tests van retrocausaliteit gaan, de status verschilt niet veel van andere dingen in de fundamenten van de kwantummechanica, Leifer zei. "We testen nooit één veronderstelling afzonderlijk, maar altijd in combinatie met vele anderen, en dan moeten we beslissen welke we om andere redenen afwijzen. Bijvoorbeeld, je zou kunnen denken dat Bell-experimenten aantonen dat de natuur niet-lokaal is, maar alleen als je eerst hebt besloten om andere veronderstellingen te accepteren, zoals realisme en geen retrocausaliteit. Dus, je zou kunnen zeggen dat Bell-experimenten al bewijs leveren voor retrocausaliteit als je niet geneigd bent realisme of lokaliteit te verwerpen. evenzo, het soort experimenten dat we in ons artikel beschrijven, leveren enig bewijs voor retrocausaliteit, maar alleen als je weigert de andere veronderstellingen te verwerpen.

"In feite, de situatie is echt hetzelfde in alle wetenschappelijke experimenten. Er zijn tal van aannames over de werking van het experimentele apparaat die je moet accepteren om te kunnen concluderen dat het experiment het gewenste effect laat zien. Het is gewoon dat, in het geval van kwantumfunderingen, het onderwerp is zeer controversieel, dus we zijn eerder geneigd om fundamentele aannames in twijfel te trekken dan in het geval van, zeggen, een medicijnonderzoek. Echter, zulke aannames zijn er altijd en het is altijd mogelijk om ze in twijfel te trekken."

© 2017 Fys.org