[논문 리뷰] The Universal Arrow of Time II: Quantum mechanics case

Oleg Kupervasser|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 30.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 23인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 열역학적 시간 화살표가 약한 부분계 상호작용과 내성 관찰 중 엔트로피 감소를 관찰할 수 없다는 원리에 기반해 닫힌 양자계에서 시간 화살표가 일치함을 보여주며, 양자역학으로의 시간 화살표 개념의 일반화를 수행한다. 이는 파동함수 붕괴, 위그너의 친구, 측정 문제와 같은 기초적 양자 역설을 디코herence와 시간 비대칭 관찰을 통해 다중세계 해석과 코펜하겐 해석을 통합함으로써 해결한다.

ABSTRACT

This paper is a natural continuation of our previous paper arXiv:1011.4173 . We illustrated earlier that in classical Hamilton mechanics, for overwhelming majority of real chaotic macroscopic systems, alignment of their thermodynamic time arrows occurs because of their low interaction. This fact and impossibility to observe entropy decrease at introspection explain the second law of thermodynamics. The situation in quantum mechanics is even a little bit easier: all closed systems of finite volume are periodic or nearly periodic. The proof in quantum mechanics is in many respects similar to the proof in classical Hamilton mechanics - it also uses small interaction between subsystems and impossibility to observe entropy decrease at introspection. However, there are special cases which were not found in the classical mechanics. In these cases one microstate corresponds to a set of possible macrostates (more precisely, their quantum superposition). Consideration of this property with use of decoherence theory and taking into account thermodynamic time arrows will introduce new outcomes in quantum mechanics. It allows to resolve basic paradoxes of quantum mechanics: (a) to explain the paradox of wave packet reduction at measurements when an observer is included in the system (introspection) (paradox of the Schrodinger cat); (b) to explain unobservability of superposition of macroscopic states by an external observer in real experiments (paradox of Wigner's friend); (c) to prove full equivalence of multi-world and Copenhagen interpretations of quantum mechanics; (d) to explain deviations from the exponential law at decay of particles and pass from one energy level to another (paradox of a kettle which will never begin to boil).

연구 동기 및 목표

• 시간 화살표 개념을 고전역학에서 양자역학으로 확장하는 것.
• 주기성에도 불구하고 양자계에서 열역학적 시간 화살표가 어떻게 나타나는지 설명하는 것.
• 스chrödinger의 고양이, 위그너의 친구와 같은 기초적 양자 역설을 내성 관찰과 디코herence를 사용하여 해결하는 것.
• 양자역학에서 다중세계 해석과 코펜하겐 해석 간의 등가성을 입증하는 것.
• 양자 전이에서 지수 붕괴 법칙의 편차를 설명하는 것.

제안 방법

• 약한 부분계 상호작용을 사용하여 고전적 시간 화살표 일치 증명을 양자계로 확장하는 것.
• 내성 관찰 중 엔트로피 감소를 관찰할 수 없다는 원리를 적용하여 시간 비대칭성을 강제하는 것.
• 디코herence 이론을 사용하여 양자 중첩에서 고전적 성질을 띤 거시적 상태로의 전이를 설명하는 것.
• 모든 상태가 주기적 또는 거의 주기적인 유한 부피 시스템을 분석하여 시간 비대칭 행동을 도출하는 것.
• 한 개의 미시적 상태가 여러 거시적 상태의 중첩과 대응할 수 있는 형식적 체계를 도입하여 시간 화살표 문제를 해결하는 것.
• 열역학적 시간 화살표와 양자 측정 이론을 결합하여 관측자에 따라 달라지는 역설을 해결하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자계의 본질적 주기성에도 불구하고 열역학적 시간 화살표는 어떻게 나타나는가?
• RQ2 이론적으로 允허되지만 실생활에서는 거시적 상태의 중첩이 관측 불가능한 이유는 무엇인가?
• RQ3 관측자가 양자계에 포함되어 있을 때(내성 관찰 시) 측정 문제는 어떻게 해결될 수 있는가?
• RQ4 시간 비대칭 관찰의 맥락에서 다중세계 해석과 코펜하겐 해석 간의 관계는 무엇인가?
• RQ5 양자 전이에서 지수 붕괴 법칙의 편차는 어떻게 발생하며, '끓이지 않는 주전자' 역설은 무엇으로 설명되는가?

주요 결과

• 약한 상호작용과 내성 관찰 중 엔트로피 감소를 관찰할 수 없다는 원리에 기반해, 양자역학에서 열역학적 시간 화살표는 부분계 간에 일치한다.
• 관측자가 시스템에 포함되어 있을 때, 디코herence가 거시적 중첩 상태를 관측할 수 없게 하므로 측정 중 파동함수 붕괴의 역설이 해결된다.
• 거시적 중첩 상태의 관측 불가능성(위그너의 친구 역설)은 관찰의 시간 비대칭성과 디코herence에 의해 설명된다.
• 시간 비대칭 관찰과 디코herence를 정확히 고려할 경우, 다중세계 해석과 코펜하겐 해석은 완전히 등가임을 입증한다.
• 지수 붕괴 법칙의 편차는 열역학적 화살표의 시간 비대칭 일치와 양자 중첩의 구조에 의해 설명된다.
• 이 논문은 유한 부피계에서도 양자역학과 열역학이 시간 화살표의 일반 원리에 따라 일관되게 융합되는 일관된 프레임워크를 제공한다.