[논문 리뷰] Time Symmetry and Asymmetry in Quantum Mechanics and Quantum Cosmology

Murray Gell‐Mann, James B. Hartle|arXiv (Cornell University)|1993. 04. 18.

Quantum Mechanics and Applications참고 문헌 4인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 초기 및 최종 밀도 행렬을 사용하여 시간 중립적인 형식을 제안함으로써 양자역학 및 양자 우주론에서 시간 비대칭성의 기원을 조사한다. 이는 기본적인 시간의 화살표를 제거한다. 관측된 시간 비대칭성은 초기 조건과 최종 조건 간의 차이에서 기인하며, 예측 가능한 확률을 위해 디코herence는 순수한 상태가 아닌 혼합된 초기 및 최종 상태가 필요하다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

We investigate the origin of the arrow of time in quantum mechanics in the context of quantum cosmology. The ``Copenhagen'' quantum mechanics of measured subsystems incorporates a fundamental arrow of time. Extending discussions of Aharonov, Bergmann and Lebovitz, Griffiths, and others we investigate a generalized quantum mechanics for cosmology that utilizes both an initial and a final density matrix to give a time-neutral formulation without a fundamental arrow of time. Time asymmetries can arise for particular universes from differences between their initial and final conditions. Theories for both would be a goal of quantum cosmology. A special initial condition and a final condition of indifference would be sufficient to explain the observed time asymmetries of the universe. In this essay we ask under what circumstances a completely time symmetric universe, with T-symmetric initial and final condition, could be consistent with the time asymmetries of the limited domain of our experience. We discuss the approach to equilibrium, the electromagnetic system, and T-violation in the weak interactions in such universes. The decoherence of alternatives that is necessary for the prediction of probabilities in the quantum mechanics of closed systems is the origin of a fundamental limitation on quantum cosmologies with initial and final conditions. The initial and final density matrices cannot both be pure; if they are there is no decoherence and no prediction.

연구 동기 및 목표

• 양자 우주론의 프레임워크 내에서 양자역학에서 시간의 화살의 기원을 이해하기 위해.
• 우리가 관측하는 우주에서 시간 비대칭성이 시간 대칭 법칙과 조건으로부터 유도될 수 있는지 조사하기 위해.
• 초기 및 최종 조건이 함께 존재하는 닫힌 양자 시스템에서 디코herence가 확률적 예측을 가능하게 하는 역할를 검토하기 위해.
• 시간 대칭 우주가 열역학적 거시적 거시성과 약한 상호작용의 T-반환 위반과 같은 관측된 시간 비대칭 현상과 일관된지 평가하기 위해.
• 초기 및 최종 밀도 행렬이 예측 가능한 양자 우주론을 제공할 수 있는 조건을 규명하기 위해.

제안 방법

• 시간 중립성을 달성하기 위해 초기 및 최종 밀도 행렬을 모두 사용하여 닫힌 시스템을 위한 일반화된 양자역학을 수립하기 위해.
• 일관된 역사 형식을 적용하여 시간 대칭 양자 우주론에서 다양한 역사들의 디코herence를 평가하기 위해.
• 디코herence가 발생하는 조건을 분석하여, 혼합된 초기 및 최종 밀도 행렬이 필요하다는 것을 보여주기 위해.
• 시간 대칭 우주에서 전자기장과 약한 상호작용을 분석하여 시간 비대칭성이 유도되는지 테스트하기 위해.
• 디코herence 조건을 기본 제약 조건으로 사용하기: 순수한 초기 및 최종 상태는 디코herence를 일으키지 않으며, 결과적으로 예측 가능한 확률도 없어진다.
• 관측된 시간 비대칭성을 생성하는 메커니즘으로서 최종 조건의 '중립성' 개념을 도입하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 및 최종 조건이 함께 존재하는 기본적으로 시간 대칭인 양자 이론에서 우주의 시간 비대칭성이 유도될 수 있는가?
• RQ2 양자 우주론에서 디코herence와 예측 가능한 확률을 위해 초기 및 최종 밀도 행렬에 필요한 조건는 무엇인가?
• RQ3 열역학적 비가역성과 약한 상호작용의 T-반환 위반과 같은 관측된 시간 비대칭 현상은 시간 대칭 우주에서 어떻게 기인하는가?
• RQ4 왜 일관된 양자 우주론을 위해 초기 및 최종 밀도 행렬이 순수한 상태가 아니라 혼합된 상태여야 하는가?
• RQ5 어떤 조건에서 시간 대칭 우주가 우리의 제한된 경험 영역에서 관측된 시간의 화살을 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 초기 및 최종 밀도 행렬을 모두 갖춘 시간 대칭 양자 우주론은 최종 조건이 초기 조건과 다를 경우 관측된 시간 비대칭성을 재현할 수 있다.
• 닫힌 양자 시스템에서 확률을 예측할 수 있는 열쇠인 디코herence는 초기 및 최종 밀도 행렬이 순수한 상태가 아니라 혼합된 상태여야 한다는 것을 보여준다.
• 순수한 초기 및 최종 상태는 디코herence를 일으키지 않으며, 결과적으로 예측 능력이 없게 되어 이러한 모델은 물리적으로 타당하지 않다.
• 관측된 시간의 화살은 특별한 초기 조건과 그에 상응하는 최종 조건의 중립성으로 인해 기인하며, 이 둘이 함께 시간 대칭성을 깨뜨린다.
• 열역학적 비대칭성과 약한 상호작용의 비대칭성은 경계 조건의 차이를 통해 시간 대칭 우주에서도 유도될 수 있다.
• 디코herence의 요구 조건은 양자 우주론에 기본적인 제약을 가하며, 순수한 초기 및 최종 상태는 예측 일관성을 위해 배제된다.