科学家开展贝尔非局域性物理检验，有望消除量子非局域性矛盾观点

人类有自由意志吗？自由意志是幻觉吗？量子物理学是否限制了人类自由意志的范围？这个长期争论的问题源于不同物理学家对量子理论数学的解释方式。如今，一项由西班牙塞维利亚大学团队和香港大学团队开展的量子实验希望能够找出上述问题的答案，这也意味着量子实验可能无法解决关于自由意志的争论，但是它正在开始改变我们对于自由意志的理解。

研究中，他们通过设计量子实验来测试人类所作出的选择是否真的独立于外力，借此挑战了量子纠缠中测量独立性的假设。其所开展的量子实验旨在测试所谓的“测量独立性假设”，该假设提出隐变量不会影响实验者选择的设置，从而能够证明或反驳自由意志的存在。

需要说明的是，隐变量——是量子力学中一类假想的、未被直接观测到的物理量，其核心思想是量子系统的“随机性”可能源于人类尚未认知的深层确定性机制。

据了解，本次研究基于由北爱尔兰物理学家约翰·贝尔（John Bell）于 1964 年提出的贝尔定理，该定理用于证明纠缠粒子是否表现出经典物理学无法解释的相关性。本次研究中，研究人员基于贝尔定理开发了新的实验，并通过探索假象实验者可能仅拥有部分自由意志的场景来扩展贝尔定理，这意味着假象实验者的选择并非完全独立，而是仍包含一定程度的自主性。

量子物理学最奇怪的特性之一是“非局域性”。如果量子粒子纠缠在一起，它们可以在极远距离内出乎意料地保持协调行为。对于这种协调背后的机制人们尚不清楚，但关于它们的争论可以追溯到几十年前，其中涉及到了放弃自由意志等想法。

如前所述，北爱尔兰物理学家约翰·贝尔（John Bell）于 1964 年提出了贝尔定理，这是研究非局域性的一个关键时刻。贝尔为两位假想实验者 Alice 和 Bob 开发了一种方法，从而可以研究纠缠粒子并确定他们的相关程度，并且即使在很长距离之内仍能开展这一研究。而将两位假想实验者的数据代入贝尔不等式方程之后，就能揭示这些粒子是否以一种仅存在于量子物理中的非局域方式产生关联。

数十年来学界开展的一系列实验，包括曾让相关学者获得 2022 年诺贝尔物理学奖的实验都一致表明：贝尔不等式会被违背，而粒子确实保持着非定域性的量子特性。为了追问背后的原因，本次研究团队开展了实验。

研究中，他们聚焦于贝尔定理框架中隐含的三个假设：测量独立性（MI，measurement independence）、参数独立性（PI，parameter independence）和结果独立性（OI，outcome independence）。它们都能确保 Alice 的实验和 Bob 的实验之间没有任何未知的相关性或协调尝试。例如：若是他们的测量设备被秘密连接或以某种方式相互通信，这将违反参数独立性假设；若是所有测量结果都以某种方式预先确定，这将违反结果独立性假设。

然而，测量独立性假设尤为重要，因为它与“每位实验者在整个实验过程中拥有自由意志”这一概念相关联。如果存在某种隐藏定律，使得每当 Bob 以某种方式行动时，Alice 也会以特定方式行动，那么数据中的关联性可能归因于这一定律，而非局域关联。这样一来，非局域性的奇异性就得以规避，但代价是 Alice 和 Bob 在实验中无法真正自由地选择如何使用他们的测量设备。

此前，一些实验已经聚焦于人类选择在贝尔测试中的作用。例如，在此前一项实验中，Alice 与 Bob 的测量设置并非由某一个人决定，而是由 10 万名玩在线视频游戏的人类集体行为所确定。

而在本次研究之中，研究人员决定更进一步，他们考虑是否可以放宽一些独立性假设。例如，Alice 和 Bob 是否只有“部分”自由意志？换句话说，在某些情况下，Alice 和 Bob 的行为是否可以被预先确定？这种情况类似于在大多数日子里你可以自由选择早餐吃什么，但是偶尔物理定律会干预并强迫你吃麦片。这听起来很奇怪，但本次研究人员已经提出了几个类似于贝尔不等式的新方程。

这可能会对量子理论的一些极端解释产生影响，其中就包括“超决定论”，该理论声称尽管表面现象相反，但仍有隐藏的物理定律支配着所发生的一切，包括贝尔不等式的违反。在超决定论观点中，贝尔的实验方案并未诊断出非局域性，而是反映了这样一个事实，即物理世界的许多方面都是预先决定的。这一观点自然会引发这样一种可能性，即物理定律可能与无限自由意志相矛盾。

这意味着人类要么必须面对世界是不确定的，要么必须面对世界是确定的并且必须解释贝尔定理。目前来看，本次研究必须在确定性世界中解释贝尔定理。

研究人员在论文中写道：在量子理论发展的早期，对于是否存在更深层次的理论能够作为量子理论基础的这一问题，被视为是“一个仅凭物理论证无法得出定论的哲学问题”。贝尔定理使得通过实验排除一些更深层次的理论成为可能，这些理论便是前文的隐变量理论。

但是，通过贝尔测试研究团队认为，一些隐变量理论无法解释他们所观察到的现象，而现有实验目前无法也明确究竟是哪些前提假设不成立。

因此，可能的解释包括具有不同程度测量依赖性的隐变量理论、不同强度的瞬时“超距作用”以及这些因素的组合。其中，测量依赖性可能源于自由选择的局限性或逆向因果关系。

业内观点普遍认为，要解决这一问题“无法仅基于纯粹的物理依据，而是需要借助形而上学的判断行为”。本次研究之中，研究团队对这一观点表示质疑，并提出以下两个结果。

第一个结果是：存在某些量子关联无法使用任何遵循结果独立性，但具有部分测量依赖性或部分参数依赖性（PD，parameter dependence）的隐变量理论来模拟。

第二个结果是：当隐变量理论满足测量独立性和参数独立性，但仅具有部分结果依赖性（OD，outcome dependence）时，仍然无法模拟某些特定的量子关联现象。

研究人员在论文中表示，此次所呈现的结果对量子信息处理、通信和计算的基础和应用都有一定影响。眼下，他们现在正在开发新的实验，旨在将他们的新方程从理论带入自由意志的真正测试。

美国加州大学圣地亚哥分校助理教授 Eddy Chen 告诉媒体，任何将量子力学与自由意志联系起来的尝试都在很大程度上取决于自由意志的定义，即使是哲学家和物理学家也经常对此意见不一。即使是那些研究了多年的人也很难定义它，而看似清晰的定义仍然存在争议。一个人或许能接受，但其他人可能不会。因此，量子力学能否证明或反驳自由意志取决于人们对于自由意志的定义。虽然科学可以为哲学问题提供信息，但在涉及价值观、终极原因或现实本身的问题上，科学往往是保持中立的。关于自由意志等哲学概念的争论，依赖于推理而不是实证检验。科学可以用明确的定义来解决问题，但是更模糊的概念也更难通过实验来解决。本次研究并不是说人类缺乏自由意志，而是再一次地侧面说明，要想定义自由意志并非易事。

参考资料：

Vieira, C., Ramanathan, R. & Cabello, A. Test of the physical significance of Bell non-locality.Nat Commun16, 4390 (2025).https://doi.org/10.1038/s41467-025-59247-7

https://decrypt.co/322556/free-will-illusion-quantum-experiments

排版：刘雅坤