From Quantum Cryptography to Intuitionism and beyond: relativity, many-worlds and non-locality

长期以来，科学一直在与现实的本质进行斗争，特别是关于宇宙中微小粒子的奇异行为。几十年来，物理学家们一直在争论：世界在根本上是决定论的——就像一台发条机器，每一个未来的事件都由过去所固定——还是它是真正开放的，随着时间的推移，新的可能性不断涌现。这个问题触及了我们理解时间、空间和信息的本质。如果未来已经写就，那么宇宙就是一个静态的块体，没有任何新事物发生。然而，如果未来是未写的，那么宇宙就是一个在每一瞬间都在创造新事物的场所。这种区别不仅是哲学上的，它改变了我们对物理定律的解读，尤其是处理那些似乎能跨越遥远距离瞬时影响彼此的粒子间的奇异关联时。

在为他的同事兼好友吉尔·布拉萨德（Gilles Brassard）撰写的七十岁生日论文中，物理学家尼古拉·吉辛（Nicolas Gisin）通过提出一种思考宇宙如何产生信息的新方式，探讨了这些深刻的问题。吉辛认为，自然界可能对它生成新信息的速度存在限制。他指出，虽然宇宙可以创造新的事实，但它不能以无限快的速度进行创造。他结合了一种被称为“直觉主义”（intuitionism）的数学方法，提出了这一观点，这为为什么世界没有变成一个充满无限可能性的混乱局面，以及量子力学的奇异规则如何与爱因斯坦的相对论相协调，提供了一个全新的视角。

论文首先挑战了那种认为我们用来描述世界的数字是完整且固定的标准观点。在传统数学中，像房间温度这样的数字被假定在每一时刻都有一个精确的值，即使我们不知道它。吉辛借鉴了数学的一个分支，即数字是随时间构建起来的，他认为对于许多物理量而言，精确的值在时间流逝并被确定之前并不存在。在这种观点下，未来并非等待被阅读的隐藏剧本；它是真正开放的。例如，十年后的温度在现在并没有值。它不仅仅是我们不知道，而是本体论上的不确定——这意味着自然本身还没有决定它会是什么。随着时间的流动，新的信息位被创造出来，宇宙做出了并非预先确定的选择。

这种“开放未来”的概念引出了一个关于自然极限的具体提议。吉辛设想了一个场景：一个系统（例如气体分子）以一种对初始条件高度敏感的方式演化。在标准的决定论观点中，系统遵循一条单一且精确的路径。但如果初始条件不是无限精确的——如果它们只包含有限的信息——那么系统的路径最终将会分裂。不同的可能性会扩散开来，自然最终必须选择走哪条路径。吉辛建议，自然只能以有限的速率创造新信息。如果一个系统试图演化成一个需要大量新信息来同时描述其状态的状态，自然可能无法跟上进度。

为了说明这一点，吉辛观察了一个由二十个微小磁性粒子（称为自旋）组成的系统。如果这些粒子的排列方式在经典意义上是混沌的，它们的量子版本会非常迅速地变得高度纠缠。纠缠是一种粒子紧密链接的状态，它们必须被描述为一个整体，而非个体。为了描述这个群体，自然需要在一极短的时间内生成海量的全新信息。吉辛提出，如果自然在产生此类信息的速率上受到限制，它可能会被迫将系统拆分为更小的、可处理的部分。与其为所有二十个粒子创建一个巨大的纠缠态，自然可能会创建两个各含十个粒子的较小群体。这种限制可以防止宇宙演化成一个单一的、具有无限复杂性的纠缠物质块。如果这一观点成立，这意味着量子力学的“多世界”解释（即认为每种可能性都在一个独立的现实分支中发生）是不正确的，因为自然无法产生维持所有这些分支所需的全部信息。

随后，论文转向了这种“开放未来”与相对论之间的关系。物理学中的一个主要难题是如何将随机、不可预测的事件与爱因斯坦“没有任何东西能超过光速”的规则统一起来。一些物理学家认为，如果未来是真正随机的，它必然违反相对论。吉辛对此持不同意见。他提出，事实并不是绝对的，它们相对于其在空间和时间中的位置。当一个随机事件发生时（例如一个粒子被测量），该结果仅在被称为“未来光锥”的特定时空区域内才成为事实。在该区域之外，该事件尚未发生，其结果也不存在。

这意味着发生在不同地点的两个事件可以存在关联，而不需要其中一个瞬时影响另一个。想象两个放置在远处的随机数生成器。如果它们产生了匹配的数字，并不是因为一个向另一个发送了信号。相反，这种相关性是一个在两个地点同时显现的非定域事件。只有当两个未来光锥重叠时，它们匹配的事实才是真实的。在重叠之前，结果是不确定的。这种被吉辛称为“不确定性的相对性”的观点，允许了量子实验中观察到的奇异连接，而无需要求任何“超距作用”。它表明，宇宙不是一系列相互影响的独立物体，而是一个信息在局部产生并以光速扩散的单一过程。

吉辛承认这是一个大胆的想法，并且他并没有一个完整的解决方案来解决“测量问题”（即这些不确定量究竟何时以及如何变为确定量的过程）。他暗示，自然可能有一种机制来决定何时做出选择，或许是在所需描述系统的信息量超过了在给定时间内所能创造的信息量时。这并非已证实的定论，而是一个可能导致新预测和新技术的假设。如果自然在创造信息的能力上确实存在限制，这对量子计算机可能会产生严重影响，因为量子计算机依赖于创造海量的纠缠。如果宇宙无法足够快地生成这种纠缠，量子计算机可能会面临比目前认为的更为严峻的根本限制。

论文最后强调，这种新视角并不需要观察者或意识主体来使宇宙变得真实。信息的创造是一个物理过程，无论是否有人在观察，它都会发生。吉辛以此向他的朋友、量子密码学先驱吉尔·布拉萨德致敬，以庆祝其在探索信息与现实边界方面的终身成就。通过将“数字随时间构建”的数学思想与“信息创造受限”的物理思想相结合，吉辛展现了一个动态、开放且具有根本创造力的宇宙愿景。这是一个未来并非固定终点，而是一个正在被绘制出的景观的世界，每一刻都在绘制出新的事实。