爱丽丝和鲍勃的思想实验是最著名的思想实验之一。我们想象一下这样的一个场景：爱丽丝做晚饭时，不小心掉了一个盘子。这声音吓了正在烧锅炉的鲍勃一跳，他烧伤了自己，大叫起来。在另一个版本的事件中，鲍勃烧伤了自己并大叫，导致爱丽丝掉了一个盘子。在过去的十年里，量子物理学家一直在探索一种奇怪的认知：原则上，故事的两个版本可以同时发生。也就是说，事件可以以一种不确定的因果顺序发生，“A导致B”和“B导致A”同时为真。维也纳大学的物理学家卡斯拉夫·布鲁克纳（Časlav Brukner）承认：“这听起来令人发指。”这种可能性源于被称为叠加的量子现象，即粒子同时保持所有可能的状态，直到它们被测量的那一刻。在奥地利、中国、澳大利亚和其他地方的实验室里，物理学家通过将一个光粒子置于两种状态的叠加状态来观察不定的因果顺序。在过去的五年里，越来越多的量子物理学家在桌面实验中实施量子开关，并探索不定因果顺序为量子计算和通信提供的优势。2017年，布里斯托大学（University of Bristol（的研究员朱利亚·鲁比诺（Giulia Rubino）领导了量子开关的首次实验演示，她说，这“真的可能在日常生活中有用”。物理学家们早就意识到，事件的因果关系的序列并没有捕捉到事物的本质。如果我们想要弄清楚引力、空间和时间的量子起源，这种因果观可能必须废除。很多人认为，因果关系在我们对世界的理解中是如此基本，如果我们削弱这一概念，我们就无法得出连贯、有意义的理论。随着物理学家们思考新的量子开关实验，以及相关的思想实验，这种情况正在改变。在这些实验中，爱丽丝和鲍勃面对由引力的量子本质所创造的因果不确定性。考虑到这些情况，研究人员不得不开发新的数学形式和思维方式。有了这些新兴的框架，我们可以在没有明确因果关系的情况下做出预测。
相关，而不是因果关系
最近进展更快了，但许多实践者把这条攻击量子引力问题的路线追溯到16年前加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所的英裔加拿大理论物理学家卢西安·哈迪（ Lucien Hardy）的研究。哈迪当时最出名的是采用了爱因斯坦提出的概念，并将其应用于量子力学。爱因斯坦革新了物理学，不是通过思考存在于世界上的东西，而是通过考虑可能测量的东西。特别是，他想象人们在移动的火车上用尺子和时钟进行测量。通过使用这种方法，他能够得出这样的结论：空间和时间一定是相对的。2001年，哈迪将同样的方法应用到量子力学中。他从五个公理出发，重建了所有的量子理论。然后，他开始将其应用到一个更大的问题上：如何调和量子力学和广义相对论，这个问题已经存在了80年。
我的想法驱使着我，也许量子理论的思维方式可以应用于量子引力。——哈迪。
运算问题是：在量子引力中，原则上我们能观察到什么？哈迪认为量子力学和广义相对论各有一个根本性的特征。量子力学是出了名的具有不确定性，它的叠加原理允许事件同时发生。与此同时，广义相对论认为空间和时间是可塑的。在爱因斯坦的理论中，像地球这样的大质量物体拉伸了时空“度规”。例如，你离一个巨大的物体越近，你的时钟就走得越慢。然后度规确定附近事件的“光锥”（该事件能造成因果影响的时空区域）。哈迪说，当你把这两个基本特征结合起来时，两种同时存在的量子可能性将以不同的方式拉伸度规。事件的光锥变得不确定，因此，因果本身也不确定。大多数关于量子引力的研究都忽略了其中一个特征。例如，一些研究人员试图描述“引力子”的行为，“引力子”是引力的量子单位。但是研究人员让引力子在固定的时间内相互作用。“我们太习惯于认为世界是随着时间而进化的，”哈迪说。不过，他推断，量子引力肯定会继承广义相对论的根本特征，而缺乏固定的时间和固定的因果关系。哈迪用一种特殊的放映机拍摄了一块白板，在白板上他描绘了各种各样的思维实验，第一个实验帮助他看到了如何在不考虑事件因果顺序的情况下完全描述事件。他想象一排探测器在太空中漂浮。他们正在记录数据，比如，从附近爆炸的恒星中喷射出来的偏振光。每一秒，每个探测器都会记录它的位置、偏振器的方向，以及位于偏振器后面的探测器是否检测到光子。探测器将这些数据传送给房间里的一个人，此人将数据打印在一张卡片上。一段时间后，试验结束，房间里的人把所有的卡片重新洗牌，然后堆成一叠。然后，探针旋转它们的偏振器，进行一系列新的测量，产生一叠新的卡片，并重复这一过程，这样房间里的人最终会得到许多打乱顺序的测量数据。“他的工作是试着弄清楚卡片的意思，”哈迪说。他想要设计一种理论来解释数据中的所有统计相关性（并以这种方式描述超新星），而不需要任何关于数据的因果关系或时间顺序的信息，因为这些可能不是现实的基本方面。具体怎么做呢？他可以首先按位置排列卡片，从每一叠卡片中分发卡片，这样与宇宙飞船有关的卡片就可以放在同一叠卡片中。在对每一叠卡片进行这样的处理时，他就可以开始注意到它们之间的相关性。他可能会注意到，每当一个光子在一个区域被探测到，在另一个区域就有很高的探测概率，只要偏振器在两个地方的角度相同。这种相关性意味着，通过这些区域的光往往具有相同的偏振。然后，他可以将概率组合成与更大的复合区域相关的表达式。在哈迪的形式中，我们通常认为的因果关系（比如光子从天空的一个区域移动到另一个区域，将在第一个区域进行的测量与后来在第二个区域进行的测量相关联），就像数据压缩。描述整个系统所需的信息量减少了，因为一组概率决定另一组概率。哈迪把他的新形式称为“因果关系”框架，在这个框架中，因果关系是用来计算在任何区域的任何测量结果的概率的数学对象。2005年，他在一篇长达68页的论文中介绍了这个总体框架，展示了如何在这个框架中构建量子理论。哈迪认为，在因果关系的框架下，也应该有可能形成广义相对论，但他不太清楚如何继续下去。他在另一篇论文中写道，如果他能做到这一点，“这个框架可能会被用来构建量子引力理论。”
量子开关
在意大利的帕维亚，量子信息理论家朱利奥·奇里贝拉（Giulio Chiribella）和三位同事正在思考一个不同的问题：什么样的计算是可能的？他们想到的是计算机理论科学家阿朗佐·丘奇（Alonzo Church）的经典著作。丘奇开发了一套建立函数的规则（接受输入并产生输出的数学机器）。丘奇的规则手册的一个显著特点是，一个函数的输入可以是另一个函数。一般情况下，函数的函数可能是什么样的函数，并超出计算机目前的计算能力？朱利奥等人提出了一个包含两个函数的过程，A和B，将它们组合成一个新函数。这个新函数（他们称之为量子开关）是两个选项的叠加。在叠加的一个分支中，函数的输入先经过A，然后是B。在另一个分支中，它先经过B，然后是A。他们希望量子开关可以成为一种新的计算模型的基础。一开始，物理学家无法确定量子开关是是可实现的，还是仅仅是假设。到2013年，论文最终问世时，研究人员已经开始研究如何制造量子开关。例如，它们可以将光子射向一种叫做分束器的光学设备。根据量子力学，光子有50%的机会被传播或被反射，所以它两者都有。
- 光子的“传播版本“向一个光学设备A传播，该设备以某种明确的方式旋转光的偏振方向。光子接下来会遇到一个类似的装置B，它会以不同的方式旋转。
- 与此同时，光子的反射版本首先遇到B，然后是A。在这种情况下，极化的最终结果是不同的。
我们可以把这两种可能性（A在B之前，或B在A之前）看作是不定的因果顺序。在第一个分支中，如果A没有出现，B的输入和输出将完全不同，因此A会对B产生因果影响。同样地，在第二个分支中，B因果地影响A，因为后者的过程不可能发生。在这些交替的因果事件发生后，另一个分束器将两个版本的光子重新组合。测量它的偏振（以及许多其他光子的偏振）会得到一个统计结果。2017年，研究人员通过实验证实因果顺序是不确定的。人们的注意力转向了在这种不确定的情况下可以做些什么。在"迄今为止最美妙的实验"中，2019年中国科学技术大学的潘建伟演示过，在同时向两个方向传输比特而不是按照固定的因果顺序传输时，效率的提高是指数级的。目前还不清楚如何将这项实验扩展到量子引力中。所有关于量子开关的论文都提到了量子引力和不定因果关系之间的联系。但是，大量物体的叠加（同时以多种方式拉伸时空尺度）坍塌得如此之快，以至于没有人想到如何检测因果关系的模糊性。因此，研究人员转而进行思想实验。
量子等效原理
你会想起爱丽丝和鲍勃。想象一下他们被安置在地球附近独立的宇宙飞船里。奇怪的是，地球处于两个不同地方的量子叠加中。你不需要整个行星的叠加来创造因果的不确定性，即使是一个原子，当它在两个地方的叠加时，也能同时以两种方式定义度规。但当在讨论原则上可测量的东西时，你也可以考虑大的东西。在叠加的一个分支中，地球离爱丽丝的实验室更近，所以她的时钟走得更慢。在另一个分支，地球离鲍勃更近，所以他的时钟走得更慢。当爱丽丝和鲍勃交流时，因果顺序就完全颠倒了。在2019年的一篇关键论文中，作者证明了这种情况将允许爱丽丝和鲍勃实现不确定的因果顺序。想象地球处于两个不同位置的量子叠加中。在叠加的一个分支中，地球离爱丽丝的飞船更近，爱丽丝的飞船减慢了她的时钟。在另一个分支中，离鲍勃更近，这样他的速度就慢了下来。这允许爱丽丝和鲍勃分别访问，同时对对方产生因果影响。
- 第1分支，地球离爱丽丝更近：爱丽丝和鲍勃在上午9点使他们的时钟同步。在各自时钟的9:05，爱丽丝触发事件A,鲍勃触发事件B。因为对爱丽丝来说，时间移动得更慢，事件B有可能在A发生之前影响她。
- 第二分支，离鲍勃更近的地球：在量子叠加的这个分支中，地球的质量使鲍勃的时钟比爱丽丝的时钟运行得慢。在这种情况下，事件A可以因果地影响事件B。量子力学似乎允许A影响B, B同时影响A。
首先，光子被分束器分裂成两条可能的路径，然后分别到达爱丽丝和鲍勃的实验室。在叠加分支中，爱丽丝的时钟走得较慢，光子首先到达鲍勃的实验室；他旋转它的偏振，把光子发送给爱丽丝，然后，爱丽丝进行自己的旋转，把光子发送给第三个人，在遥远的第三个实验室的查理。在叠加的另一个分支中，光子先到达爱丽丝，然后从她到鲍勃再到查理。就像在量子开关的例子中一样，这个“引力量子开关”创造了A然后B, B然后A的叠加。然后，查理把光子的两条路径合在一起，测量它的偏振度。爱丽丝，鲍勃和查理做了一遍又一遍的实验。他们发现，他们的旋转和测量结果在统计学上是如此相关，以至于旋转一定是以一种不确定的因果顺序发生的。为了分析这种情况下因果关系的不确定性，维也纳的研究人员开发了一种编码概率的方法，可以在不参照固定背景时间的情况下，在不同地点观察不同结果，就像哈迪的因果关系法一样。哈迪在2016年实现了他在因果关系框架中形成广义相对论的目标。实际上，他找到了一种更好的方法来整理他的一叠卡片。他证明，可以把你可能做出的任何测量映射到一个没有因果假设的抽象空间上。例如，你可以观察宇宙的一小块区域，并测量你所能测量的一切。然后，你可以在抽象的高维空间中把这个小块的测量值绘制成一个点，每个可测量的量都有一个不同的轴。你想重复多少次就重复多少次。量子力学和广义相对论的共同框架可能为量子引力提供了一种语言，哈迪和维也纳的理论家们最近都认为，有一个概念可能成为通往未来、后因果物理学的桥梁：一个类似于等价原理的“量子等价原理”，一个世纪前，它为爱因斯坦指明了通向广义相对论的道路。爱因斯坦等价原理的一种表述方式是，即使时空可以被广泛地拉伸和弯曲，它的局部区域看起来却是平坦而经典的，并且适用于牛顿物理学。等价原理让你能在新物理中发现旧物理。这里有一个类似的原理：量子引力允许时空度规同时以多种方式弯曲。这意味着任何事件都会有多个不匹配的光锥——简而言之，因果关系是不确定的。目前还不清楚这些研究人员对量子引力的操作方法如何与弦理论和环量子引力相交叉，后者更直接的目标是将引力量子化成离散单元。但最终量子引力必须是具体的，要回答“我们能观察到什么？”以及“存在什么？”也就是说，什么是引力、空间和时间的量子基石？
