[论文解读] Decoherence: A dynamical approach to superselection rules?

Domenico Giulini|ArXiv.org|Oct 26, 2000

Quantum Mechanics and Applications参考文献 35被引用 4

一句话总结

本文挑戰了傳統上將『硬』（基於對稱性）與『軟』（由退相干引起）的選擇規則分開的觀點，主張即使是基本的規則（如質量與電荷規則），也需動力學輸入才能具有物理意義。本文表明，特別是在量子電動力學（QED）中透過紅外光子披覆的退相干機制，可動力學性地強制執行選擇規則，暗示所有選擇規則最終可能源自環境相互作用，而非純粹的運動學性質。

ABSTRACT

It is well known that the dynamical mechanism of decoherence may cause apparent superselection rules, like that of molecular chirality. These `environment-induced' or `soft' superselection rules may be contrasted with `hard' superselection rules, like that of electric charge, whose existence is usually rigorously demonstrated by means of certain symmetry principles. We address the question of whether this distinction between `hard' and `soft' is well founded and argue that, despite first appearance, it might not be. For this we give a detailed and somewhat pedagogical exposition of the basic structural properties of the spaces of states and observables in order to establish a fairly precise notion of superselection rules. We then discuss two examples: the Bargmann superselection rule for overall mass in ordinary quantum mechanics, and the superselection rule for charge in quantum electrodynamics.

研究动机与目标

• 質疑既有的『硬』選擇規則（基於對稱性）與『軟』選擇規則（由退相干引起）之間的二元對立。
• 探究所謂的『硬』選擇規則是否實際上依賴於動力學過程以獲得物理上的合理性。
• 分析退相干在量子電動力學（QED）中強制執行選擇規則的角色，特別是針對電荷。
• 探討電荷的選擇規則 sectors 是否源於制備態的物理限制，而非僅僅是運動學結構。
• 評估QED的紅外結構——透過光子披覆——是否提供選擇規則的動力學起源，從而解決長期存在的不一致問題。

提出的方法

• 以非相對論性量子力學中的Bargmann選擇規則（總質量）為模型，分析運動學選擇規則。
• 透過將理論視為約束哈密頓系統的啟發式處理，研究QED中的電荷選擇規則。
• 應用環境誘發退相干的概念，顯示具有不同動量的態之間的相位關係會變得局部不可及。
• 使用遲滯庫侖場與球面上的通量分佈，證明不同動量會導致不同的漸近場圖樣。
• 引入Zwanziger的紅外相干條件，顯示帶電粒子的相干疊加必須伴隨紅外光子。
• 證明Gupta-Bleuler條件僅在包含表面項（漸近自由度）的情況下，才可在紅外極限中保持不變，從而維持規範不變性。

实验结果

研究问题

• RQ1 『硬』選擇規則（如質量或電荷規則）是否可被理解為源自動力學過程，而非僅僅是運動學對稱性？
• RQ2 在QED中，何種物理機制阻止了具有不同動量的帶電粒子的相干疊加？
• RQ3 在Zwanziger條件下引入紅外光子後，如何恢復相干性，並解決與規範不變性之間的明顯不一致？
• RQ4 QED中的選擇規則結構在多大程度上是長程電磁場導致退相干的結果？
• RQ5 『硬』與『軟』選擇規則的區分是否具有物理合理性，還是僅是形式主義的產物？

主要发现

• QED中電荷的選擇規則並非純粹運動學性，而是源自紅外一致性的要求與漸近自由度的引入。
• 只有當帶電粒子與適當的紅外光子披覆時，具有不同動量的帶電粒子的相干疊加才可能實現，這些光子可抵消其不同的漸近通量分佈。
• Zwanziger的紅外相干條件確保了在零頻率極限下與Gupta-Bleuler橫向條件的相容性，從而解決長期存在的不一致問題。
• 若哈密頓量中不包含表面項，則在包含帶電態時無法維持空間無限遠處的規範不變性，暗示選擇規則結構是動力學性強制的。
• 遲滯庫侖場的通量分佈取決於粒子的動量，導致不同的漸近場圖樣，從而定義了不同的選擇規則 sectors。
• 『硬』與『軟』選擇規則的區分在物理上並不穩健，因為即使是『硬』規則（如電荷守恆）也依賴於涉及紅外區的動力學一致性條件。