设置星标★关注，从此你的世界多点科学~
物理学家很久之前就开始猜测，在量子理论之下还隐藏着一层更深的物理现实。而现在，一个新的数学模型揭示了这层现实有多么奇怪
物理学家正在进入后量子理论世界，他们正在一个全新的层面上探寻物理现实会是什么样子。而这个层面甚至比本已怪异得出名的量子理论更加深刻、更加怪异。
早在20世纪20年代，物理学家就掌握了数个对于解释世界运作原理极为有效的理论，但他们并没有停下脚步，反而坚持寻找这些理论无法解释的情形。
这些情形就是经典物理学无法填补的空洞，而物理学家就以此为突破口窥见了更深层的物理现实。
而此时此刻，恰如彼时彼刻，熟悉的感觉又回来了：量子理论的确相当奏效，但仍旧无法解释某些现象，尤其是面对那些由引力主导的宇宙级别大天体的时候。
此时，在量子理论构建的世界里，物理学家又能发现何种后量子世界呢？
法国国家数字科学与技术研究院的詹姆斯·赫福德（James Hefford）和巴黎萨克雷大学的马特·威尔逊（Matt Wilson）开发了一个描述后量子世界的合理数学框架。（尽管这个框架现在还只有一个梗概，但可能已经是我们迄今能接触到的最深层的物理现实。）
赫福德说：“量子理论描述的不是整个宇宙。目前，整个物理学面对的最重大问题之一便是需要构建一种量子引力理论，也就是把量子理论和引力理论统一起来。这种理论就应该是超越量子理论的更深层物理现实。”
那么，究竟要如何建立这种量子引力理论？
物理学家早就有了很多想法，但威尔逊和赫福德选择从量子理论与经典物理学的关系中汲取灵感。更具体地说，他们的灵感来自这样一个物理现实：
我们之所以不会在日常生活中体验到怪异的量子效应，是因为一种名为“退相干”的过程，退相干摧毁了大多数物体的量子性。也是因为退相干，我们才能在量子世界的背景中找到这个非常合理且符合我们心理的日常世界。要知道，同样一只猫在量子世界中可以既生又死，而粒子可以像幽灵那样穿过墙壁，也即“隧穿”。
威尔逊和赫福德据此假设，可以借助类似退相干的“超退相干”过程从超量子理论中推导出量子理论。
这个想法其实早就被深入研究过，但2018年发现的一个定理说明，在数学上不可能推导出一个能够衍生出量子理论的合理、自洽超退相干过程。赫福德和威尔逊仔细研究了这个定理的前提假设，并设计了一个变通方法，而代价则是他们最后得到了一个很是怪异的后量子现实世界：一种叫作QBox的理论。
QBox理论的关键特征之一是它颠覆了传统的因果关系观念。按照我们的传统认识，要么是事件A导致了事件B，要么就反过来，但在QBox理论中，允许存在“A导致B”和“B导致A”共同存在的状态，也即无法分辨这两种因果关系哪个是正确的。
未参与这个理论构建过程的加拿大卡尔加里大学的卡洛·玛利亚·斯坎多洛（Carlo Maria Scandolo）说：“这就是一种因果不确定性。如果我们要尝试建立量子引力理论，就应该关注这种现象。因为我们拥有的最好的引力理论（爱因斯坦的广义相对论）就提出，在不同的时空点上，事件的因果顺序可以不同。”
举一个著名的思想实验例子：在以不同速度飞行的宇宙飞船中，旅行者会对一系列事件的发生顺序产生分歧。
当然，赫福德和威尔逊还必须确定超退相干可以正确地让QBox理论退化成量子理论。举个例子，他们必须确保某个我们在QBox理论中只能近似知晓的给定物件在经历超退相干过程后不可能变得更加清晰（超退相干后，我们对这个物件的认识不会变得更清楚、更深刻）。
威尔逊表示，超退相干过程就好比存在某些QBox领域客体可以触及的维度——QBox领域中的某些人可以与其中的物件发生相互作用——但这些维度对于我们这些只能触及经典领域和量子领域的人来说是隐藏的。
目前，赫福德和威尔逊仍在研究这些维度的具体细节，以及QBox领域内的客体究竟会经历什么，但现在看来这些维度无法触及的层面是时间上的，而不是空间上的，因为超退相干过程切断了客体触及向后发生的事件的可能性，也即阻止客体回到过去，而不是阻止他们进入未来。
任职于因果推理研究实验室、共同推导出2018年那条证伪超退相干定理的西伦·吉利根-李（Ciarán Gilligan-Lee）评价说：“之前也有一些以因果不确定性为核心的理论雏形，但它们都难以推导出现有的所有量子力学理论——好像从来没人能做到这一点。”
他还表示，赫福德和威尔逊的这项工作的价值在于，他们的理论坚实而具体，并且在数学上也确实存在可行性。尽管这个理论有许多相当怪异的地方，但它不需要凭空创造一整个世界的新东西（比如弦理论中的宇宙弦）就能推导出某种量子引力理论。
2018年那条定理的另一个共同创立者、波兰格但斯克大学的约翰·塞尔比（John Selby）称，对于QBox理论，接下去的关键是不仅要证明超退相干过程可以以某种数学函数的形式存在，更要充实其具体物理细节。
他说：“应该有一些形象的案例，甚至可以说是某一种故事来说明，为什么在目前的实验室中会出现这种情况。”
在塞尔比看来，即便最后证明QBox理论并不是隐藏在量子理论之下的更深层物理现实，赫福德和威尔逊的数学工作也是一个很有价值的理论起点。
吉利根-李和塞尔比两人也草创了一个新的定理。虽然这个定理还没有被其他物理学家仔细审查，但可能会对诸如QBox这样（能以有现实意义的方式超退相干到量子理论）的理论施加更为严格的限制。
威尔逊说，QBox理论欢迎这样的挑战，哪怕这意味着它最后会成为另一个更好的后量子理论的垫脚石。值得一提的是，通过实验检验QBox理论也是可能的，因为这个理论可能会对某些涉及量子波重叠的实验产生切实的影响。
此外，如果QBox理论未来真的能经受住数学理论和物理实验的双重考验，那么还会浮现一个更加诱人的问题。
赫福德说：“是否可以通过类似的层层退相干机制，让各种层级上的理论互相退相干？”
毫无疑问，在这类挖掘更深层物理现实的过程中必然会涉及更多、更复杂的数学推导。
资料来源：
《世界科学》杂志版在售中 欢迎订阅
月刊定价
15元/期
全年订阅价
180元
点击左侧图片或以下方订阅方式选购
方式一：
扫描二维码，“杂志铺”（第三方平台）订阅有折扣～
方式二：
全国各地邮局订阅 邮发代号：4-263
方式三：
机构订阅，请拨打
021-53300839；
021-53300838
热门跟贴