[논문 리뷰] The sky is blue, and other reasons quantum mechanics is not underdetermined by evidence

David K. Wallace|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 01.

Quantum Mechanics and Applications인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 에버렛 이론, 브롬 메커니크, 동적 붕괴 이론과 같은 경쟁적 해석들 덕분에 양자역학이 증거에 의해 부족한 결정을 내리고 있다는 널리 퍼진 견해를 도전한다. 이 논문은 보름 또는 붕괴 이론의 양자장론에 대한 경험적으로 성공한 확장이 존재하지 않음을 주장하며, 이로 인해 보 seeming한 부족한 결정이 깨지고, 빛의 하늘을 파란색으로 만드는 레일리 산란과 같은 핵심 양자 현상은 오직 유니타리 양자역학만이 설명할 수 있음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 에버렛, 보름역학, 동적 붕괴 이론이 경험적으로 동일시 가능하다는 주장에 도전하여, 증거에 의해 부족한 결정이 발생한다는 것을 입증한다.
• 보름역학이나 붕괴 이론의 양자장론(QFT)으로의 경험적으로 타당한 일반화가 존재하지 않음을 주장함으로써, 보 seeming한 부족한 결정이 깨진다.
• 특히 레일리 산란과 같은 핵심 양자 현상이 유니타리 양자역학을 통해서만 설명 가능하며, 다른 해석으로는 설명할 수 없음을 입증한다.
• 이해관계 해석들이 경험적으로 구별 불가능하다는 철학적 논거에 대응하며, 특히 이론들이 QFT로 일반화되지 못한 데 기반한 논거를 비판한다.
• 과학적 현실주의가 부족한 결정에 의해 훼손되지 않음을 방어한다. 왜냐하면 유니타리 QM의 타당한 대안이 경험적으로 성공한 바가 없기 때문이다.

제안 방법

• 레일리 산란과 같은 현상에 초점을 맞춰, 양자장론(QFT)의 맥락에서 양자역학의 경험적 성공을 분석한다.
• 보름역학과 동적 붕괴 이론(GRW, CSL 등)이 QFT로 확장되었을 때의 상태를 평가하며, 그러한 경험적으로 성공한 일반화가 존재하지 않는다고 주장한다.
• 레일리 산란—다이폴 모멘트 근사에 의해 QFT에서 정량적으로 설명 가능한 현상—을 예로 들어, 오직 유니타리 양자역학만이 이 현상을 설명할 수 있음을 보여준다.
• 부족한 결정에 관한 철학 문헌을 검토하며, 서로 다른 해석들이 경험적으로 동일하다는 가정을 비판한다.
• 벨의 이분법(파동함수는 전부이거나, 그렇지 않다)을 적용하여, 대안 이론들이 진지하게 고려되기 위해서는 경험적으로 타당해야 한다고 주장한다.
• 다른 이론들이 QFT에서 모든 예측을 재현하지 못한다면, 부족한 결정은 실질적인 것이 아니라 단지 가설적인 것이며, 실제 문제가 되지 않는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보름역학과 동적 붕괴 이론이 유니타리 양자역학과 경험적으로 동일하다는 주장이 양자역학의 부족한 결정 논리(Quantum Underdetermination Thesis, QUT)를 뒷받침하는가?
• RQ2 보름역학이나 동적 붕괴 이론이 유니타리 양자역학의 경험적 타당성을 유지하면서 양자장론(QFT)으로 성공적으로 일반화될 수 있는가?
• RQ3 하늘이 파랗게 보이는 이유이자 레일리 산란의 정량적 설명이 오직 유니타리 양자역학을 필요로 하는가? 따라서 다른 해석을 배제하는가?
• RQ4 보름역학이나 붕괴 이론이 QFT로 확장되지 못한 경험적 성공 부족은, 에버렛, 보름, 붕괴 이론 간의 보 seeming한 부족한 결정을 어느 정도 해소하는가?
• RQ5 증거에 의해 이론이 부족한 결정을 겪는다는 주장은 현실적인 문제인가, 아니면 이론적으로 성취되지 못한 가능성에 기반한 추측적인 주장인가?

주요 결과

• 보름역학이나 동적 붕괴 이론(GRW, CSL 등)의 양자장론(QFT)으로의 경험적으로 성공한 일반화는 아직 이루어지지 않았다.
• 하늘이 파랗게 보이는 원인인 레일리 산란 현상은 QFT 내에서 오직 유니타리 양자역학만이 정량적으로 설명할 수 있으며, 다른 해석으로는 설명할 수 없다.
• 유니타리 양자역학과 다른 해석이 모두 설명할 수 있는 양자 실험의 범위는 일반적으로 상상하는 것보다 훨씬 작으며, 레일리 산란과 같은 기초 현상은 이를 포함하지 않는다.
• 에버렛, 보름, 붕괴 이론 간의 보 seeming한 부족한 결정은, 대안 이론들이 QFT에 필수적인 현상을 설명하지 못함으로써 깨지며, 이로 인해 경험적으로 부적합한 것으로 판명된다.
• 이해관계 해석들이 경험적으로 동일하다는 주장은 QFT에서의 경험적 성공 부족으로 인해 뒷받침되지 않으며, 이는 양자역학의 부족한 결정 논리(QUT)를 약화시킨다.
• QFT에서의 타당한 대안이 없는 것은, 부족한 결정이 현대 물리학에서 실질적인 문제인 것이 아니라 가설적인 문제라는 것을 의미한다.