本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
生活充满了选择。我们是吃一块饼干还是去健身房？我们是狂看 Netflix 上最喜欢的节目还是在合理的时间睡觉？我们的选择会产生后果，我们是出于自由意志做出这些选择的。还是不是这样？自由意志的本质长期以来一直是哲学辩论的主题，但它也提出了关于宇宙基本性质的核心问题。宇宙是由严格的物理定律支配的，这些定律从宇宙大爆炸到时间尽头都决定了它的命运吗？还是自然定律有时允许事情随机发生？一项持续了一个世纪的物理实验仍然未能解决这个问题，但一项新的实验通过在数十亿光年范围内进行量子实验，使天平向后者倾斜。
经典物理定律是确定性的。牛顿的数学宇宙是一个机械宇宙，每个原因都有一个独特的结果，我们不是由自己的选择支配，而是由自然的 rigid 法则支配。另一方面，量子物理学具有模糊随机性的特性，一些科学家认为这可能为自由意志打开大门。由于量子物理学是现实的核心，因此似乎随机性占了上风。
然而，一些科学家认为量子随机性并非真正随机。如果我掷骰子，结果看起来是随机的，但实际上并非如此。它的所有颠簸和转动都是由重力和桌子的力在复杂的舞蹈中引起的，但这种舞蹈是确定性的。骰子离开我手的那一刻，它的命运就被注定了，即使我直到结果发生才知道结果。也许量子物体的行为方式相同。尽管它们似乎以随机的方式行动，但它们实际上受某些确定性的隐变量支配。
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自从研究生院以来，这个问题一直让我着迷。我的论文重点关注量子引力的各个方面，这是一个我们仍然没有完全理解的学科。其中一个原因是我们不知道阿尔伯特·爱因斯坦的确定性引力理论如何与量子力学的随机性结合在一起。
这个问题也让爱因斯坦着迷，而且他比我聪明得多，他提出了一个可以检验这个想法的实验。他和当时都在新泽西州普林斯顿高等研究院的鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森一起，提出了一个现在被称为爱因斯坦-波多尔斯基-罗森实验，或简称 EPR 实验的思想实验。
为了理解这个实验，假设我们有一个爱恶作剧的共同朋友简。每当简穿坏一双跑鞋时，她都喜欢通过给我们每个人寄一只鞋来恶作剧。所以每当你收到简从邮件寄来的鞋子时，你就知道我也收到了一只。我们中的一个收到右鞋，另一个收到左鞋。但在我们中的任何一个打开各自的盒子之前，我们都不知道我们拥有哪只鞋。一旦盒子到达你家门口，你打开它，发现你拥有左鞋。在那一刻，你就知道我一定拥有右鞋。
这就是 EPR 实验的基本思想。这在我们日常世界中只不过是一个愚蠢的恶作剧，但对于量子物体来说，它变得非常奇怪。您可能听说过薛定谔的猫，其中量子猫在被观察到处于确定状态之前既不是活的也不是死的。像经典猫一样，量子猫喜欢量子盒子。在量子领域，事物可能处于不确定的状态，直到你观察到它们。这就好像我们的盒子里装有一对东西（盐和胡椒瓶、手套、鞋子等），但在我们中的一个人打开他们的盒子之前，不可能知道具体是什么东西。更奇怪的是，我们如何测量量子物体决定了结果可能是什么。这就好像从侧面打开盒子会强制它成为手套，而从顶部打开盒子会强制它成为鞋子。我如何打开我的盒子会影响你数英里外的盒子。在量子理论中，我们说我们的两个盒子是纠缠的，因此观察一个盒子的内容也会告诉我们关于另一个盒子的一些信息。
我们不能用手套和鞋子做这个实验，但我们可以用光做。两个纠缠的光子可以向相反的方向发送。我随机测量一个光子的方向，你测量另一个光子的方向，然后我们比较我们的结果。我们将测量很多不同的方向，所以我们可以各自选择我们想要的方向。当在实验室中进行此实验时，它实际上有效。如果我们的测量是随机的，那么光子就不可能提前知道将要测量哪个方向。因此，不可能有任何隐变量来决定结果。无论我们得到左鞋还是右鞋，或者左手套还是右手套，结果都是真正随机的。
这就是爱因斯坦将纠缠称为“远距离幽灵般的动作”的核心原因。之所以说它幽灵般，是因为纠缠物体之间存在量子连接，即使它们相隔数光年。因此，对一个物体进行测量也是通过这种幽灵般的纠缠对两个物体进行测量。但只有当我们进行的测量是随机的时，它才是幽灵般的。如果它不是随机的，那么就没有必要用幽灵般的连接来解释 EPR 结果。
这就是所谓的“自由选择”漏洞。EPR 实验是在实验室中进行的，即使选择如何测量光子看起来是随机的，但如果没有自由意志，那么我们进行的观察是由早期条件决定的。由于在实验室中设置实验需要时间，因此可能存在小的相互作用，可以让量子系统提前知道将要进行什么测量。也许实验、科学家和实验室都以某种方式纠缠在一起，以至于结果并非真正随机，因此量子物体可以操纵结果。
为了绕过这个漏洞，你必须处理光速。人们常说没有什么东西可以比光速更快，但真正不能比光速更快的是信息。我们可以互相发送电报或短信，但永远不会比光在两者之间传播所需的时间更快。在一个小型实验室中，在实验设置期间，光有足够的时间在房间内来回传播，因此可能少量的信息会偏向实验“随机”方面，甚至在实验完成之前。这似乎不太可能，但一项新的实验已经克服了这个问题。实验人员没有使用实验室中的随机数生成器来决定进行哪个光子测量，而是使用了类星体。
类星体是由遥远星系中心的超大质量黑洞提供动力的明亮灯塔。该团队使用来自类星体的光线中的随机波动来确定如何测量光子。由于来自类星体的光线必须传播数十亿年才能到达我们这里，因此亮度波动发生在实验完成之前数十亿年——甚至在人类出现之前数十亿年。因此，它绝对不可能与实验纠缠在一起。
结果正如量子理论预测的那样。因此，看起来确实没有确定性的隐变量，并且随机性在整个宇宙中仍然是可能的。
当然，随机性并不是自由意志的唯一必要条件。但这确实意味着你的命运不一定是注定的。因此，当你在晚上抵制第二块饼干或关掉电视时，你可以为也许，只是也许，这个选择最终是你自己做出的而感到自豪。