本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點
生活充滿了選擇。我們是吃一塊餅乾還是去健身房？我們是狂看 Netflix 上最喜歡的節目還是在合理的時間睡覺？我們的選擇會產生後果，我們是出於自由意志做出這些選擇的。還是不是這樣？自由意志的本質長期以來一直是哲學辯論的主題，但它也提出了關於宇宙基本性質的核心問題。宇宙是由嚴格的物理定律支配的，這些定律從宇宙大爆炸到時間盡頭都決定了它的命運嗎？還是自然定律有時允許事情隨機發生？一項持續了一個世紀的物理實驗仍然未能解決這個問題，但一項新的實驗透過在數十億光年範圍內進行量子實驗，使天平向後者傾斜。
經典物理定律是確定性的。牛頓的數學宇宙是一個機械宇宙，每個原因都有一個獨特的結果，我們不是由自己的選擇支配，而是由自然的 rigid 法則支配。另一方面，量子物理學具有模糊隨機性的特性，一些科學家認為這可能為自由意志開啟大門。由於量子物理學是現實的核心，因此似乎隨機性佔了上風。
然而，一些科學家認為量子隨機性並非真正隨機。如果我擲骰子，結果看起來是隨機的，但實際上並非如此。它的所有顛簸和轉動都是由重力和桌子的力在複雜的舞蹈中引起的，但這種舞蹈是確定性的。骰子離開我手的那一刻，它的命運就被註定了，即使我直到結果發生才知道結果。也許量子物體的行為方式相同。儘管它們似乎以隨機的方式行動，但它們實際上受某些確定性的隱變數支配。
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自從研究生院以來，這個問題一直讓我著迷。我的論文重點關注量子引力的各個方面，這是一個我們仍然沒有完全理解的學科。其中一個原因是我們不知道阿爾伯特·愛因斯坦的確定性引力理論如何與量子力學的隨機性結合在一起。
這個問題也讓愛因斯坦著迷，而且他比我聰明得多，他提出了一個可以檢驗這個想法的實驗。他和當時都在新澤西州普林斯頓高等研究院的鮑里斯·波多爾斯基和內森·羅森一起，提出了一個現在被稱為愛因斯坦-波多爾斯基-羅森實驗，或簡稱 EPR 實驗的思想實驗。
為了理解這個實驗，假設我們有一個愛惡作劇的共同朋友簡。每當簡穿壞一雙跑鞋時，她都喜歡透過給我們每個人寄一隻鞋來惡作劇。所以每當你收到簡從郵件寄來的鞋子時，你就知道我也收到了一隻。我們中的一個收到右鞋，另一個收到左鞋。但在我們中的任何一個開啟各自的盒子之前，我們都不知道我們擁有哪隻鞋。一旦盒子到達你家門口，你開啟它，發現你擁有左鞋。在那一刻，你就知道我一定擁有右鞋。
這就是 EPR 實驗的基本思想。這在我們日常世界中只不過是一個愚蠢的惡作劇，但對於量子物體來說，它變得非常奇怪。您可能聽說過薛定諤的貓，其中量子貓在被觀察到處於確定狀態之前既不是活的也不是死的。像經典貓一樣，量子貓喜歡量子盒子。在量子領域，事物可能處於不確定的狀態，直到你觀察到它們。這就好像我們的盒子裡裝有一對東西（鹽和胡椒瓶、手套、鞋子等），但在我們中的一個人開啟他們的盒子之前，不可能知道具體是什麼東西。更奇怪的是，我們如何測量量子物體決定了結果可能是什麼。這就好像從側面開啟盒子會強制它成為手套，而從頂部開啟盒子會強制它成為鞋子。我如何開啟我的盒子會影響你數英里外的盒子。在量子理論中，我們說我們的兩個盒子是糾纏的，因此觀察一個盒子的內容也會告訴我們關於另一個盒子的一些資訊。
我們不能用手套和鞋子做這個實驗，但我們可以用光做。兩個糾纏的光子可以向相反的方向傳送。我隨機測量一個光子的方向，你測量另一個光子的方向，然後我們比較我們的結果。我們將測量很多不同的方向，所以我們可以各自選擇我們想要的方向。當在實驗室中進行此實驗時，它實際上有效。如果我們的測量是隨機的，那麼光子就不可能提前知道將要測量哪個方向。因此，不可能有任何隱變數來決定結果。無論我們得到左鞋還是右鞋，或者左手套還是右手套，結果都是真正隨機的。
這就是愛因斯坦將糾纏稱為“遠距離幽靈般的動作”的核心原因。之所以說它幽靈般，是因為糾纏物體之間存在量子連線，即使它們相隔數光年。因此，對一個物體進行測量也是透過這種幽靈般的糾纏對兩個物體進行測量。但只有當我們進行的測量是隨機的時，它才是幽靈般的。如果它不是隨機的，那麼就沒有必要用幽靈般的連線來解釋 EPR 結果。
這就是所謂的“自由選擇”漏洞。EPR 實驗是在實驗室中進行的，即使選擇如何測量光子看起來是隨機的，但如果沒有自由意志，那麼我們進行的觀察是由早期條件決定的。由於在實驗室中設定實驗需要時間，因此可能存在小的相互作用，可以讓量子系統提前知道將要進行什麼測量。也許實驗、科學家和實驗室都以某種方式糾纏在一起，以至於結果並非真正隨機，因此量子物體可以操縱結果。
為了繞過這個漏洞，你必須處理光速。人們常說沒有什麼東西可以比光速更快，但真正不能比光速更快的是資訊。我們可以互相傳送電報或簡訊，但永遠不會比光在兩者之間傳播所需的時間更快。在一個小型實驗室中，在實驗設定期間，光有足夠的時間在房間內來回傳播，因此可能少量的資訊會偏向實驗“隨機”方面，甚至在實驗完成之前。這似乎不太可能，但一項新的實驗已經克服了這個問題。實驗人員沒有使用實驗室中的隨機數生成器來決定進行哪個光子測量，而是使用了類星體。
類星體是由遙遠星系中心的超大質量黑洞提供動力的明亮燈塔。該團隊使用來自類星體的光線中的隨機波動來確定如何測量光子。由於來自類星體的光線必須傳播數十億年才能到達我們這裡，因此亮度波動發生在實驗完成之前數十億年——甚至在人類出現之前數十億年。因此，它絕對不可能與實驗糾纏在一起。
結果正如量子理論預測的那樣。因此，看起來確實沒有確定性的隱變數，並且隨機性在整個宇宙中仍然是可能的。
當然，隨機性並不是自由意志的唯一必要條件。但這確實意味著你的命運不一定是註定的。因此，當你在晚上抵制第二塊餅乾或關掉電視時，你可以為也許，只是也許，這個選擇最終是你自己做出的而感到自豪。