[論文レビュー] Quantum objects as elementary units of causality and locality

Hans H. Diel|arXiv (Cornell University)|Sep 4, 2016

Quantum Mechanics and Applications参考文献 9被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、量子理論および量子場理論に従う粒子の集合体としての量子対象——自己の固有時を用いて駆動される内部ダイナミクスを有する自律的系——を、量子理論の局所的因果モデルにおける因果性および局所性の基本的単位として提案する。このモデルでは、非局所性を内部状態遷移に限定しつつも、相対論的全局的相互作用を保ち続けることで、局所性と量子もつれの間の矛盾を解消する。

ABSTRACT

The author's attempt to construct a local causal model of quantum theory (QT) that includes quantum field theory (QFT) resulted in the identification of "quantum objects" as the elementary units of causality and locality. Quantum objects are collections of particles (including single particles) whose collective dynamics and measurement results can only be described by the laws of QT and QFT. Local causal models of quantum objects' internal dynamics are not possible if a locality is understood as a space-point locality. Within quantum objects, state transitions may occur which instantly affect the whole quantum object. The identification of quantum objects as the elementary units of causality and locality has two primary implications for a causal model of quantum objects: (1) quantum objects run autonomously with system-state update frequencies based on their local proper times and with either no or minimal dependency on external parameters. (2) The laws of physics that describe global (but relativistic) interrelationships must be translated to a causal model of interactions between quantum objects and interactions between quantum objects and the space.

研究の動機と目的

• 空間的点における局所性を越えた局所性の再定義により、局所的因果性と量子もつれの不整合を解消すること。
• 相対性理論の全局的レベルでの整合性を保ちながら、量子理論および量子場理論（QFT）の局所的因果モデルを構築すること。
• 標準量子理論に知られている欠陥を解消するため、自律的量子対象を基本的実体として導入すること。
• 非局所性が量子対象内部に限定され、対象間の相互作用のレベルでは局所性が保たれる因果フレームワークを提供すること。
• 量子対象がブラックホールおよび場に与える影響、特に時空構造および場のダイナミクスとの関係を検討すること。

提案手法

• 物理的因果モデルを3つの要素（物理エンジン、物理法則、システム状態）で定義し、状態の更新を離散的時間ステップで行う。
• 量子対象を、量子理論およびQFTに従う粒子の集合体として導入し、個々の物理エンジンによって駆動される自律的ダイナミクスを持つものとする。
• 量子対象を自己完結的システムとしてモデル化し、内部状態遷移は非局的でもよいが、対象内部に限定され、対象間相互作用における非局所性を回避する。
• 空間を動的な多様体として表現し、埋め込まれた量子対象のエネルギー・質量分布に基づいて進化させる。場は空間にマッピングされ、グローバル物理エンジンによって更新される。
• 内部の量子対象ダイナミクス（非局的だが自律的）と外部相互作用（局的で相対論的）を区別し、全局的因果性を保証する。
• ブラックホールおよび場にモデルを適用し、ブラックホールを束縛状態の量子対象として扱い、場を量子対象ではなく空間に埋め込まれた状態成分とみなす。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的点における局所性を越えた局所性の再定義がなされた場合、量子理論および量子場理論の局所的因果モデルを構築できるか？
• RQ2 量子もつれにおける非局所性を外部的相互作用に及ぼさずに、内部ダイナミクスに限定するにはどうすればよいか？
• RQ3 固有時および自律的進化が量子対象の役割を果たすとは何か？ そして、それが内部状態遷移に与える影響は何か？
• RQ4 量子対象は空間および場とどのように相互作用するか？ また、時空構造はどのようにしてエネルギー・質量分布によって動的に決定されるか？
• RQ5 ブラックホールを量子対象として解釈できるか？ その場合、ホーキング放射および情報損失問題にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 量子対象は、量子理論およびQFTの局所的因果モデルにおける因果性および局所性の基本的単位として特定された。
• 量子対象内部の非局所的状態遷移は許容可能であり、制限された範囲にとどまることで、自律的性を仮定した場合に一貫した局所的因果モデルを実現できる。
• 量子対象は自らの固有時を基準にしたシステム状態更新周波数に従って自律的かつ独立に進化し、外部依存性を最小限に抑える。
• 空間のグローバル構造は、量子対象のエネルギー・質量分布に基づいて動的に決定され、一般相対性理論と整合的である。
• ブラックホールは束縛状態の量子対象として解釈可能であり、特異点ではなく時空の基本的単位であると示唆する。
• 場は量子対象とは見なされず、空間にマッピングされた状態成分として扱われ、グローバル物理エンジンによって更新される。これにより、内部と外部のダイナミクスの区別が保たれる。