[论文解读] Are Local Causal Models of Quantum Theory Feasible at All?

Hans H. Diel|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2016

Quantum Mechanics and Applications参考文献 7被引用 3

一句话总结

本文研究了量子理论（QT）与量子场论（QFT）中局部因果模型的可行性，结论是尽管一般因果模型是可能的，但严格意义上的局部因果模型——即基于空间点局域性的模型——由于纠缠与测量中的非局域性而不可行。作者提出一种改进的‘对象局域’模型，将非局域性限制在量子对象内部，从而在保持对象层面因果性的同时，提供一种解释量子现象的新框架。

ABSTRACT

This article presents an analysis of the extent to which local causal models or local realistic models of quantum theory (QT), including quantum field theory (QFT), are theoretically possible and practically feasible in light of the present state of these theories. Quantum physicists consider Bells famous inequality and its violation in experiments to be a strong indication that local realistic or local causal models of QT are not possible and that quantum theory as a whole is therefore not a local realistic or local causal theory. Based on a proposed definition of a "formal causal model" for a theory of physics (such as QT), this paper investigates the possibility of having a local causal model for QT. Areas of QT are identified in which the construction of a causal model is impeded because of deficiencies in the state of the respective theory. It is shown that the removal of the deficiencies can be achieved by the provision of a causal model. Whereas the construction of a causal model of QT, including QFT, appears to be feasible after the removal of certain deficiencies, the construction of a local (causal) model does not appear to be possible. As a consequence of the conclusion that local (causal) models of QT/QFT are not possible, if a strong interpretation of locality is assumed, a locality model is proposed in which the non-localities are confined to "quantum objects".

研究动机与目标

• 评估量子理论（QT）与量子场论（QFT）的局部因果模型在理论上是否可行。
• 识别量子理论中阻碍因果模型构建的关键缺陷，特别是纠缠、测量以及QFT相互作用方面的问题。
• 提出一个能够解决测量问题与干涉坍缩规则等关键问题的QT/QFT因果模型。
• 通过将非局域性限制在‘量子对象’中，重新定义局域性，以在避免严格空间点局域性的同时保持因果性。
• 论证量子理论中缺乏完整因果模型的原因在于理论上的空白，而非其与因果性本身存在根本不相容。

提出的方法

• 提出‘因果模型’、‘实在模型’与‘局部因果模型’的形式化定义，以澄清基础术语。
• 分析量子理论中存在理论空白而致因果建模失败的领域，如纠缠、测量问题、干涉坍缩规则以及QFT相互作用。
• 构建一个完整的QT/QFT因果模型，通过为复合量子对象赋予全局属性来解决非局域性问题。
• 引入‘对象局域性’作为局域性的改进概念，即非局域效应被限制在量子对象内部，而非时空点上。
• 利用该因果模型重新诠释量子现象，如纠缠与波函数坍缩，将其视为结构化本体内部的因果过程。
• 将该模型应用于QFT相互作用，提出一种避免非因果或非局域场相互作用的因果框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否为量子理论与量子场论构建一个完整的因果模型？
• RQ2 在严格定义局域性（即空间点局域性）的前提下，量子理论的局部因果模型是否可行？
• RQ3 量子理论中阻碍因果模型构建的关键缺陷是什么？
• RQ4 纠缠与测量中的非局域性能否被限制在量子对象内部而不违反因果性？
• RQ5 所提出的对象局域因果模型是否为解释量子现象提供了连贯且一致的框架？

主要发现

• 一旦解决了理论缺陷（如测量问题与干涉坍缩规则），量子理论与量子场论的因果模型是可行的。
• 在以空间点因果性定义局域性时，完整的QT/QFT因果模型必然包含非局域性。
• 在基于空间点相互作用的严格局域性定义下，QT/QFT的局部因果模型不可行。
• 所提出的对象局域因果模型通过为量子对象赋予全局属性，将非局域性限制在对象内部，从而在对象层面保持了因果性。
• 引入量子对象与对象全局属性并非技术性权宜之计，而是一种具有物理意义的框架，能够解决量子理论中的基础性问题。
• 由此产生的对象局域模型为解释量子现象（如纠缠与波函数坍缩）提供了新视角，将其视为结构化本体内部的因果过程。