[論文レビュー] The sky is blue, and other reasons quantum mechanics is not underdetermined by evidence

David K. Wallace|arXiv (Cornell University)|May 1, 2022

Quantum Mechanics and Applications被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、エヴェレット解釈、ド・ブロイ＝ドゥーリング理論、動的崩壊理論といった代替解釈が存在するため、量子力学が証拠によって不十分に決定されているという広く受け入れられている見解に挑戦する。量子場理論（QFT）へのド・ブロイまたは崩壊理論の、実験的に成功した拡張が存在しないことにより、見かけ上の不十分決定性が崩れ、唯一、ユニタリ量子力学（unitary QM）がレイリー散乱といった重要な量子現象を説明できることを示し、空が青い理由を説明する。

ABSTRACT

I criticize the widely-defended view that the quantum measurement problem is an example of underdetermination of theory by evidence: more specifically, the view that the unmodified, unitary quantum formalism (interpreted following Everett) is empirically indistinguishable from Bohmian Mechanics and from dynamical-collapse theories like the GRW or CSL theories. I argue that there as yet no empirically successful generalization of either theory to interacting quantum field theory and so the apparent underdetermination is broken by a very large class of quantum experiments that require field theory somewhere in their description. The class of quantum experiments reproducible by either is much smaller than is commonly recognized and excludes many of the most iconic successes of quantum mechanics, including the quantitative account of Rayleigh scattering that explains the color of the sky. I respond to various arguments to the contrary in the recent literature.

研究の動機と目的

• エヴェレット解釈、ド・ブロイ＝ドゥーリング理論、動的崩壊理論が、証拠によって同等に説明可能であるという主張に反論し、それによって量子力学が証拠によって不十分に決定されているという主張を挑戦すること。
• ド・ブロイ理論や崩壊理論の、量子場理論（QFT）への実験的に妥当な一般化が存在しないことにより、見かけ上の不十分決定性が崩れるという主張をすること。
• 特にレイリー散乱のような主要な量子現象が、QFTを必要とし、ユニタリ量子力学でのみ説明可能であることを示し、代替解釈では説明できないことを証明すること。
• これらの解釈が、証拠的に区別不能であるという哲学的主張に反論し、とりわけそれらがQFTに一般化できないという事実を踏まえて行うこと。
• 科学的現実主義が不十分決定性によって損なわれることはないという立場を擁護すること。なぜなら、ユニタリQMの代替案として、実験的に成功したものは存在しないからである。

提案手法

• レイリー散乱のような現象に注目し、量子場理論（QFT）の文脈における量子力学の実験的成功を分析する。
• ド・ブロイ理論や動的崩壊理論（例：GRW、CSL）がQFTに拡張可能かどうかを評価し、実験的に成功した一般化が存在しないと主張する。
• レイリー散乱の例を用い、QFTにおける電気双極子近似によって定量的に説明可能であることを示し、この現象を説明できるのはユニタリ量子力学に限ることを示す。
• 不十分決定性に関する哲学的文献をレビューし、対立する解釈が証拠的に同等であるという仮定を批判する。
• ベールの二分法（波動関数はすべてであるか、あるいは正しくない）を適用し、代替理論が真剣に検討されるには、実験的に妥当でなければならないと主張する。
• 代替理論がQFTにおけるすべての予測を再現できない限り、不十分決定性は仮想的であり、現実のものではないと主張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ド・ブロイ理論や動的崩壊理論がユニタリ量子力学と証拠的に同等であるとされるならば、量子力学における不十分決定性仮説（QUT）は、実験的に妥当なのか？
• RQ2 ド・ブロイ理論や動的崩壊理論は、実験的に妥当な形で量子場理論（QFT）に一般化可能なのか？
• RQ3 空が青い理由であるレイリー散乱の定量的説明は、ユニタリ量子力学を必要とし、代替解釈を排除するのか？
• RQ4 代替解釈がQFTに一般化できないという事実により、エヴェレット、ド・ブロイ、崩壊理論の間の見かけ上の不十分決定性は、どの程度崩れるのか？
• RQ5 証拠によって理論が不十分に決定されているという主張は、現実的な懸念なのか、それとも、実現していない理論的可能状況に基づく推測なのか？

主な発見

• ド・ブロイ理論や動的崩壊理論（例：GRW、CSL）の、量子場理論（QFT）への実験的に成功した一般化は、まだ達成されていない。
• 空が青い理由であるレイリー散乱という現象は、QFTにおいてユニタリ量子力学でのみ定量的に説明可能であり、代替解釈では説明できない。
• ユニタリ量子力学と代替理論の両方で説明可能な量子実験の範囲は、一般的に考えられているよりもはるかに小さく、レイリー散乱のような基礎的現象は含まれない。
• エヴェレット、ド・ブロイ、崩壊理論の間の見かけ上の不十分決定性は、代替理論がQFTに不可欠な現象を説明できないため、崩れている。
• 代替解釈がQFTにおいて実験的に成功していないことから、それらが証拠的に同等であるという主張は、実際の証拠によって裏付けられていない。これにより、量子力学における不十分決定性仮説（QUT）は揺るがされる。
• QFTにおいてユニタリ量子力学の代替案が実現していないことから、不十分決定性は現代物理学における現実の問題ではなく、仮想的なものである。