导语
当人们学过力是改变运动的原因时，就已经默认了因果律是物理学的基本定律之一，而且这是对我们生活经验的提炼总结。但是有果必有因的诠释，在量子力学诞生后就不断遭到挑战。面对一些不满足因果结构的现象，物理学家提出了诸如非定域性的解释。如今，有一些物理学家开始研究完全放弃因果关系，并在新的体系下向量子引力迈进。
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董唯元
作者
返朴（ID：fanpu）
来源
因果结构（causalstructure）无疑是物理学乃至所有科学规律的基本出发点之一，也正因为其过于基础性的地位，反而使我们经常忽视对其本身的审视。这就像大多数受过系统训练的中学生，都可以熟练掌握平面几何中许多解题技巧，但很少有学生会质疑那条关于平行线的“第五公设”：过直线外一点，有且只有一条直线平行于已知直线。然而正是对这条基本公设的深入研究，才使我们打破了平直空间的思维框架束缚，认识到弯曲空间中的非欧几里得几何，从而为整个近代物理学的发展铺平了道路。类似的，倘若我们能够成功突破旧有的因果关联思维框架，构建起新的认识和理论，想必也会催生出许多意义深远的成果。
1.时间可以循环吗？
时间序列是因果联系的前提。在牛顿时代，绝对的时间就代表了所有事件一致的先后顺序，绝对的因果关联显得天经地义理所应当。而当相对论产生之后，我们已经知道几何化的时间不再是绝对的物理量，事件的先后顺序也会因参照系不同而有所不同。再加上速度上限的存在，于是因果关联关系就被限制在“光锥”之中，只有“类时”间隔的事件之间，才有可能产生因果关联，而“类空”间隔的事件之间就无法建立因果联系。
然而光锥只是维护局域时空内的因果关联，未必能够维护整个宇宙总体时空的绝对因果，因为广义相对论所描述的时空会弯曲，如果一条类时世界线弯曲成闭合环路，那么就会出现像“祖父悖论”这样的因果关系悖论。科幻电影中经常提起的“时空虫洞”，就可能会含有这样的几何结构。当然制造那样的时空虫洞非常困难，需要大量的奇异物质。但其实产生闭合类时线的条件比产生虫洞的条件要宽松许多，比如在每个旋转且带电的黑洞内部，理论上都存在闭合类时线。
尽管它是数学上被允许的时空结构，但其所对应的因果关系却令人困惑。为了维护旧有因果结构的尊严，霍金还提出了“时序保护猜想”，理由是闭合类时线会使真空中有些能量堆积到无穷大——更专业的说法是，真空极化能动张量在紧致生成的柯西视界处发散，且不可重整化——然而这理由明显缺乏说服力，与其说它保护了时序的工整，倒不如说是限制了引力理论自身的适用范围[1]。
目前物理学家们只能依照既有的认知，对各种时空进行分类，最能够维护因果关联的时空被称为“双曲时空”。也许，我们现在所习惯的因果关联，本就是恰好身处双曲时空才会产生的偏狭之见吧。
2.因果关联可以逆时间传递吗？
退一步说，即使真如霍金所愿，宇宙中找不到闭合类时线，常识认知的因果联系就没有瑕疵了吗？答案也没有那么肯定。大多数物理定律都表现出“时间反演对称性”，也就是把方程中的t统统换成-t之后方程依然成立，于是我们不禁要遐想世界中是否存在逆时间的成分。
很早以前，费曼和惠勒就曾经猜测电磁波可以逆时间传递，并籍此提出了“吸收体理论”，后来狄拉克也曾对这个理论做过一些补充。因为描述电磁波的方程满足时间反演对称性，所以这个理论提出电磁波里同时包含两种波，一种沿时间正方向行走，另一种则沿逆时间方向传波。
这样电磁波的发射方与接收方就成了一对互为因果的整体。如果没有接收方的存在，发射方就不能发出电磁波。就像如果没有买家下订单，卖家就不会发货一样。只不过，这里买家的订单信息是逆时间传递的。所以在时间上虽然卖家发货在前，买家收货在后，但在因果逻辑上却是买家的订单信息在“前”。
如今，吸收体理论渐已淡出了主流认知领域，因为它似乎与氢原子谱线中的兰姆位移无法相容。但逆时间传递因果关系的思想，却一直留存在其他理论之中。华盛顿大学的物理教授JohnGleasonCramer，就基于这种思想提出了一种量子力学诠释。这个名为“交易诠释”（TransactionalInterpretationofQuantumMechanics，TIQM）的理论，可以比较清楚地解释量子测量中的波函数塌缩、非定域关联、量子隧穿等各种量子现象，既不需要多世界的存在，也不像哥本哈根诠释那样含糊其辞。唯一的代价，就是需要鼓足勇气抛开热力学第二定律给出的时间指向，允许存在逆时间方向传递的波。
不过，以目前的认知，关乎能量分布的演化过程都必然遵循热力学第二定律，所以交易诠释中那些逆时间方向传递的波，应该没办法携带能量。而一个“不携带能量的波”对大多数物理学家来说，并不是容易接受的概念。只有少数支持交易诠释的研究者，以“逆时间的波永远不会独立存在”来勉强为之辩护。
.惠勒延迟选择实验
除了神圣的热力学第二定律之外，另一个对交易诠释更直接的挑战来自著名的“惠勒延迟选择实验”。这个实验需要一台马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnderinterferometer，MZI）。其中的半反半透镜有50%的概率反射光子，也有50%的概率让光子透射。在下图中，光子选择上光路或下光路的概率各半，两个接收屏A和B也各有50%的概率可以记录到光点。当在干涉仪中增加第二个半反半透镜之后，上光路与下光路就会在此处交叠干涉。通过调节第二个半反半透镜的位置，可以使干涉结果恰好满足所有出射光子都必然只到达B屏，而A屏则永远没有亮点。
这两种情形，用交易诠释都非常容易解释。前一种情形中，假设在t时刻光源向正反时间方向同时发出询问波：“谁能接收我的光子？”在t±?t时刻，两块接收屏获知了问询，并发出了应答波：“我可以接收！”应答波同样向正反时间方向同时发出。于是在t时刻，光源面前摆着4个权重相同的握手机会，选中A屏或B屏的概率各占50%。后一种情形中，由于路径中存在干涉，光源发出的询问波只能到达B屏，而A屏从未获知问询，自然就不会给出应答，更不可能无端接收到光子。
然而惠勒延迟选择实验的微妙之处在于，②号透镜是在t时刻之后，t+?t时刻之前，才被摆放入位。如果交易诠释是正确的，那么t时刻之后才出现的②号透镜应该不会影响在t→t-?t→t这个时间段内的“商讨”过程，所以接收屏A应该仍有25%的概率出现亮点。
可惜实验结果显示，即使在t时刻之后才出现②号透镜，A接收屏仍然一片漆黑全无亮点，全部光子都%的到达了B接收屏，这也就基本否定了光子在正式传播之前存在前置环节的可能性。
需要特别说明的是，惠勒延迟选择实验虽然否定了交易诠释，但并没有否定逆向传递的因果关联。下面让我们放下诠释问题，只用常识性逻辑再仔细理解一下实验结果：我们是在光子已经通过①号透镜之后再摆放②号透镜，按说此时光子应该已经在上光路和下光路之间做出了选择，而不应该是脚踩两条船的状态。但此时②号透镜的出现，居然还是产生了干涉，又说明光子似乎在做出选择之后还能后悔并重新回到脚踩两条船的状态。如果把“是否出现②号透镜”作为“因”，把“通过①号透镜后的状态”视为“果”，显然在时间序上就出现了“果”在前“因”在后的情况。
可见这个实验中的逆时间因果关联更直接明显，只是交易诠释原本希望借助逆时间前置波的引入，将量子事件重新梳理成工整的经典因果序列，而惠勒延迟选择实验则无情地宣判了这种努力的失败！这个实验后续还出现过许多变种版本，例如“量子擦除实验”也曾引起大量
