[论文解读] Background freedom leads to many-worlds with local beables and probabilities

Ovidiu Cristinel Stoica|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2022

Quantum Mechanics and Applications被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新的量子力学诠释——多时空诠释（MSTI），其中在量子引力中的背景独立性自然导致波functional分解为具有局域实体和确定几何的古典时空态。由于几何不相容性，干涉在宏观尺度上被抑制，从而导致绝对退相干，并从时空态的分布中推导出玻恩法则，为多世界诠释提供了自然的本体论基础，使得经典类世界具有本体实在性。

ABSTRACT

I argue that background freedom in quantum gravity automatically leads to a dissociation of the quantum state into states having a classical space. That is, interference is not completely well-defined for states with different space geometries, even if their linear combination is. Interference of states with different space geometry is still allowed at small scales, but precluded at macro-scales. Macrostates, including measuring devices, appear classical. The distribution of space geometries automatically gives the Born rule. The dissociation entails a kind of absolute decoherence, making the ad-hoc wavefunction collapse unnecessary. This naturally leads to a new version of the many-worlds interpretation, in which: 1) the classical space-states form an absolute preferred basis, 2) at any time, the resulting micro-branches are like classical worlds, with objects in space, 3) macro-branches stop interfering, even though micro-branches can interfere (as they should), 4) the space geometries converge at the Big-Bang, favoring macro-branching towards the future, 5) the wavefunctional becomes real by absorbing the phases in the global U(1) gauge, 6) ontologically, the wavefunctional consists of many gauged space-states, each of them counting as a world by having local beables (the space geometry and the classical fields), 7) the density of the classical space-states automatically obeys the Born rule.

研究动机与目标

• 在背景独立的量子引力框架内，解决量子力学中的基础性问题，特别是偏好基问题与经典性涌现问题。
• 不将玻恩法则视为人为假设，而是将其作为波functional中经典时空态分布的推论结果。
• 提供一种自然的、基于本体论的多世界诠释版本，避免波函数坍缩的需要，并假设局域实体。
• 通过表明背景自由性本质上导致宏观分支与经典时空结构，实现量子引力与多世界诠释的调和。
• 建立一种物理实在论诠释，其中每个具有确定几何与经典场的时空态均被视为具有本体论地位的独立世界。

提出的方法

• 以空间片 $\Sigma$ 上的黎曼3-几何 $\gamma_{ab}$ 表述波functional，使用惠勒-德维特方程 $\widehat{\mathsf{H}}\underline{\Psi} = 0$ 作为基本约束。
• 将经典时空态定义为配置 $ (\Sigma, \gamma_{ab}, \phi_\gamma) $，其中 $\phi_\gamma$ 是具有确定度规的3-流形上的经典场，构成理论的本体基础。
• 证明由于背景自由性，不同空间几何之间的干涉在宏观尺度上被抑制，导致不可逆分支。
• 通过将波functional中时空态的密度解释为在特定世界中自定位的概率测度，推导出玻恩法则。
• 通过将相位吸收进经典场的全局 U(1) 规范中，使波functional变为实数，从而在保持幺正性的同时，从本体论中消除复数。
• 通过识别满足经典动力学并允许世界身份识别的局域实体（度规 $\gamma$ 与场 $\phi_\gamma$），证明每个时空态均可计为一个世界。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子引力中的背景独立性如何导致经典时空的涌现，并抑制不同几何之间的干涉？
• RQ2 玻恩法则能否从波functional中经典时空态的分布中推导出来，而非作为假设提出？
• RQ3 背景自由性是否自然导致分支的偏好基，从而消除对人为退相干或坍缩假设的依赖？
• RQ4 能否构建一个具有局域实体与实在论本体论的多世界诠释，使得每个时空态对应一个独立世界？
• RQ5 背景自由量子引力中波functional的结构如何导致时间不对称的分支与经典概率？

主要发现

• 量子引力中的背景自由性在宏观尺度上抑制了不同空间几何的量子态之间的干涉，导致一种自然的绝对退相干形式。
• 波functional分解为具有确定3-几何与经典场的古典时空态，这些时空态构成了理论的本体基础。
• 宏观分支中时空态的分布再现了玻恩法则，作为在特定世界中自定位的概率测度。
• 通过将相位吸收进经典场的全局 U(1) 规范中，可使波functional变为实数，从而在保持幺正性的同时，从本体论中消除复数。
• 每个时空态，连同其局域实体（度规与经典场），构成一个独立世界，从而为多世界诠释中世界的计数提供了正当理由。
• 分支结构具有时间不对称性，时空态在宇宙大爆炸处汇聚，并随时间向未来发散，自然解释了量子测量中的时间箭头。