人類有自由意志嗎？自由意志是幻覺嗎？量子物理學是否限制了人類自由意志的范圍？這個長期爭論的問題源于不同物理學家對量子理論數學的解釋方式。如今，一項由西班牙塞維利亞大學團隊和香港大學團隊開展的量子實驗希望能夠找出上述問題的答案，這也意味著量子實驗可能無法解決關于自由意志的爭論，但是它正在開始改變我們對于自由意志的理解。

圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）

研究中，他們通過設計量子實驗來測試人類所作出的選擇是否真的獨立于外力，借此挑戰了量子糾纏中測量獨立性的假設。其所開展的量子實驗旨在測試所謂的“測量獨立性假設”，該假設提出隱變量不會影響實驗者選擇的設置，從而能夠證明或反駁自由意志的存在。

需要說明的是，隱變量——是量子力學中一類假想的、未被直接觀測到的物理量，其核心思想是量子系統的“隨機性”可能源于人類尚未認知的深層確定性機制。

據了解，本次研究基于由北愛爾蘭物理學家約翰·貝爾（John Bell）于 1964 年提出的貝爾定理，該定理用于證明糾纏粒子是否表現出經典物理學無法解釋的相關性。本次研究中，研究人員基于貝爾定理開發了新的實驗，并通過探索假象實驗者可能僅擁有部分自由意志的場景來擴展貝爾定理，這意味著假象實驗者的選擇并非完全獨立，而是仍包含一定程度的自主性。

量子物理學最奇怪的特性之一是“非局域性”。如果量子粒子糾纏在一起，它們可以在極遠距離內出乎意料地保持協調行為。對于這種協調背后的機制人們尚不清楚，但關于它們的爭論可以追溯到幾十年前，其中涉及到了放棄自由意志等想法。

（來源：Nature Communications）

如前所述，北愛爾蘭物理學家約翰·貝爾（John Bell）于 1964 年提出了貝爾定理，這是研究非局域性的一個關鍵時刻。貝爾為兩位假想實驗者 Alice 和 Bob 開發了一種方法，從而可以研究糾纏粒子并確定他們的相關程度，并且即使在很長距離之內仍能開展這一研究。而將兩位假想實驗者的數據代入貝爾不等式方程之后，就能揭示這些粒子是否以一種僅存在于量子物理中的非局域方式產生關聯。

數十年來學界開展的一系列實驗，包括曾讓相關學者獲得 2022 年諾貝爾物理學獎的實驗都一致表明：貝爾不等式會被違背，而粒子確實保持著非定域性的量子特性。為了追問背后的原因，本次研究團隊開展了實驗。

研究中，他們聚焦于貝爾定理框架中隱含的三個假設：測量獨立性（MI，measurement independence）、參數獨立性（PI，parameter independence）和結果獨立性（OI，outcome independence）。它們都能確保 Alice 的實驗和 Bob 的實驗之間沒有任何未知的相關性或協調嘗試。例如：若是他們的測量設備被秘密連接或以某種方式相互通信，這將違反參數獨立性假設；若是所有測量結果都以某種方式預先確定，這將違反結果獨立性假設。

然而，測量獨立性假設尤為重要，因為它與“每位實驗者在整個實驗過程中擁有自由意志”這一概念相關聯。如果存在某種隱藏定律，使得每當 Bob 以某種方式行動時，Alice 也會以特定方式行動，那么數據中的關聯性可能歸因于這一定律，而非局域關聯。這樣一來，非局域性的奇異性就得以規避，但代價是 Alice 和 Bob 在實驗中無法真正自由地選擇如何使用他們的測量設備。

此前，一些實驗已經聚焦于人類選擇在貝爾測試中的作用。例如，在此前一項實驗中，Alice 與 Bob 的測量設置并非由某一個人決定，而是由 10 萬名玩在線視頻游戲的人類集體行為所確定。

而在本次研究之中，研究人員決定更進一步，他們考慮是否可以放寬一些獨立性假設。例如，Alice 和 Bob 是否只有“部分”自由意志？換句話說，在某些情況下，Alice 和 Bob 的行為是否可以被預先確定？這種情況類似于在大多數日子里你可以自由選擇早餐吃什么，但是偶爾物理定律會干預并強迫你吃麥片。這聽起來很奇怪，但本次研究人員已經提出了幾個類似于貝爾不等式的新方程。

這可能會對量子理論的一些極端解釋產生影響，其中就包括“超決定論”，該理論聲稱盡管表面現象相反，但仍有隱藏的物理定律支配著所發生的一切，包括貝爾不等式的違反。在超決定論觀點中，貝爾的實驗方案并未診斷出非局域性，而是反映了這樣一個事實，即物理世界的許多方面都是預先決定的。這一觀點自然會引發這樣一種可能性，即物理定律可能與無限自由意志相矛盾。

這意味著人類要么必須面對世界是不確定的，要么必須面對世界是確定的并且必須解釋貝爾定理。目前來看，本次研究必須在確定性世界中解釋貝爾定理。

（來源：Nature Communications）

研究人員在論文中寫道：在量子理論發展的早期，對于是否存在更深層次的理論能夠作為量子理論基礎的這一問題，被視為是“一個僅憑物理論證無法得出定論的哲學問題”。貝爾定理使得通過實驗排除一些更深層次的理論成為可能，這些理論便是前文的隱變量理論。

但是，通過貝爾測試研究團隊認為，一些隱變量理論無法解釋他們所觀察到的現象，而現有實驗目前無法也明確究竟是哪些前提假設不成立。

因此，可能的解釋包括具有不同程度測量依賴性的隱變量理論、不同強度的瞬時“超距作用”以及這些因素的組合。其中，測量依賴性可能源于自由選擇的局限性或逆向因果關系。

業內觀點普遍認為，要解決這一問題“無法僅基于純粹的物理依據，而是需要借助形而上學的判斷行為”。本次研究之中，研究團隊對這一觀點表示質疑，并提出以下兩個結果。

第一個結果是：存在某些量子關聯無法使用任何遵循結果獨立性，但具有部分測量依賴性或部分參數依賴性（PD，parameter dependence）的隱變量理論來模擬。

第二個結果是：當隱變量理論滿足測量獨立性和參數獨立性，但僅具有部分結果依賴性（OD，outcome dependence）時，仍然無法模擬某些特定的量子關聯現象。

研究人員在論文中表示，此次所呈現的結果對量子信息處理、通信和計算的基礎和應用都有一定影響。眼下，他們現在正在開發新的實驗，旨在將他們的新方程從理論帶入自由意志的真正測試。

美國加州大學圣地亞哥分校助理教授 Eddy Chen 告訴媒體，任何將量子力學與自由意志聯系起來的嘗試都在很大程度上取決于自由意志的定義，即使是哲學家和物理學家也經常對此意見不一。即使是那些研究了多年的人也很難定義它，而看似清晰的定義仍然存在爭議。一個人或許能接受，但其他人可能不會。因此，量子力學能否證明或反駁自由意志取決于人們對于自由意志的定義。雖然科學可以為哲學問題提供信息，但在涉及價值觀、終極原因或現實本身的問題上，科學往往是保持中立的。關于自由意志等哲學概念的爭論，依賴于推理而不是實證檢驗。科學可以用明確的定義來解決問題，但是更模糊的概念也更難通過實驗來解決。本次研究并不是說人類缺乏自由意志，而是再一次地側面說明，要想定義自由意志并非易事。

參考資料：

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：劉雅坤