[论文解读] Precedence and freedom in quantum physics

Lee Smolin|arXiv (Cornell University)|May 16, 2012

Quantum Mechanics and Applications参考文献 12被引用 7

一句话总结

本文提出了一种量子力学的新诠释，其中量子系统在响应测量时表现出最大自由度，其行为受‘先例原则’支配：结果从该测量过去的所有实例中随机选取。核心贡献在于对量子理论的重新表述，其中定律并非基本存在，而是从累积的先例中动态浮现，从而在不违背统计可预测性的前提下，允许量子演化中真正的新颖性与自由度。

ABSTRACT

A new interpretation of quantum mechanics is proposed according to which precedence, freedom and novelty play central roles. This is based on a modification of the postulates for quantum theory given by Masanes and Muller. We argue that quantum mechanics is uniquely characterized as the probabilistic theory in which individual systems have maximal freedom in their responses to experiment, given reasonable axioms for the behavior of probabilities in a physical theory. Thus, to the extent that quantum systems are free, in the sense of Conway and Kochen, there is a sense in which they are maximally free. We also propose that laws of quantum evolution arise from a principle of precedence, according to which the outcome of a measurement on a quantum system is selected randomly from the ensemble of outcomes of previous instances of the same measurement on the same quantum system. This implies that dynamical laws for quantum systems can evolve as the universe evolves, because new precedents are generated by the formation of new entangled states.

研究动机与目标

• 通过将量子力学重新诠释为基于先例的动态定律理论，解决物理定律中决定论与新颖性之间的张力。
• 解决一个基础性难题：即定律如何在保证重复实验可靠性的同时，仍允许在新量子过程中出现真正新颖、不可预测的结果。
• 提供一个形而上学框架，其中时间是基本的，定律并非永恒不变，宇宙通过量子先例的累积而演化。
• 探讨量子系统在响应测量时的‘自由’——受康威-科亨自由意志定理启发——是否可形式化为最大自由度，且仅受统计历史的约束。
• 通过提出动力学定律源自重复测量中单个系统的统计行为，挑战固定、永恒不变定律的假设。

提出的方法

• 基于马萨内斯和穆勒提出的物理理论中概率的公理，引入一组修正的量子理论公理。
• 将‘先例’定义为：对同一系统进行的相同测量，其结果从该系统过去所有相同测量结果的集合中随机抽取。
• 构建一种运动学框架，其中单个系统不被确定性定律约束，而是受其过去行为统计模式的制约。
• 将量子系统的演化建模为新纠缠态生成新先例的过程，使定律随时间逐渐浮现。
• 将‘自由’概念形式化为：在缺乏先例时，表现出最大不可预测性，即对新颖量子过程无确定性约束。
• 以操作性、现象学方法为基础，将测量与制备视为基本概念，避免依赖隐变量或永恒不变的定律。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子力学能否被重新表述为：定律并非基本存在，而是从过去测量结果的统计累积中浮现？
• RQ2 在不违背量子预测的前提下，量子系统在响应测量时在多大程度上可被认为具有‘自由’？这种自由度如何形式化？
• RQ3 先例原则如何解释重复实验的可靠性，同时仍允许量子过程中真正的新颖性？
• RQ4 在此诠释中，时间扮演何种角色？与基于永恒不变定律的诠释有何不同？
• RQ5 通过先例实现动力学定律的浮现，能否解释量子力学在预测统计结果方面的显著成功，而无需假设固定不变的定律？

主要发现

• 在合理的物理理论概率公理下，量子力学可被唯一地表征为：在个体系统对测量响应中具有最大自由度的概率理论。
• 先例原则解释了量子实验的可重复性，并非依赖永恒不变的定律，而是依赖于过去结果的统计记忆，新结果从先前实例中随机选取。
• 新颖的量子态——尤其是纠缠态——可表现出不可预测性，因为它们缺乏先例，从而在演化中允许真正的新颖性与自由度。
• 该理论表明，自然定律并非永恒或普遍，而是随着新先例的累积而动态浮现，尤其通过新纠缠态的形成。
• 该框架支持时间是基本的观念，过去、现在与未来的区分是客观的，使定律能随宇宙一同演化。
• 该模型与已知的量子现象一致，包括非定域性和依赖上下文的特性，且允许非定域、依赖上下文的隐变量而无矛盾。